雙側(cè)吸波頻率選擇表面窗口吸波體設(shè)計

夏靖 金灣灣 劉鋼 周暢

摘? 要：頻率選擇表面窗口吸波體是一種基于頻率選擇表面（FSS）的帶有窗口透波的吸波體結(jié)構(gòu)，它對電磁波具有頻帶內(nèi)透波/頻帶外吸波的特性，這使得它在雷達(dá)隱身、天線罩等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文從FSS吸波層和FSS透波層分別進(jìn)行分析設(shè)計，提出了一種基于FSS的寬帶雙側(cè)吸波的FSS窗口吸波體。通過仿真得到，窗口吸波體在5.8 GHz附近透波，且在透波頻段兩側(cè)2.1～3.0 GHz和7.4～11.9 GHz能實(shí)現(xiàn)80%吸波率的寬帶吸波效果。

關(guān)鍵詞：窗口吸波體;頻率選擇表面;雷達(dá)隱身;雙側(cè)吸波

中圖分類號：TN95;TP391.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）15-0089-03

Abstract： Frequency Selective Surface （FSS） window absorber is a kind of absorber structure with window wave transmitting based on FSS. It has the characteristics of in-band wave transmitting/out-band wave absorbing for electromagnetic wave， which makes it have broad application prospects in the fields of radar stealth， radome and so on. In this paper， the FSS wave absorbing layer and FSS wave transmitting layer are analyzed and designed respectively， and an FSS window absorber of broadband bilateral wave absorbing based on FSS is proposed. The simulation results show that the window absorber transmits near 5.8 GHz， and the broadband wave absorbing effect of 80% wave absorbing rate can be achieved at 2.1～3.0 GHz and 7.4～11.9 GHz on both sides of the wave transmitting frequency band.

Keywords： window absorber; frequency selective surface; radar stealth; bilateral wave absorbing

0? 引? 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，針對飛行器等武器系統(tǒng)的雷達(dá)探測技術(shù)日益完善，不僅在地面有強(qiáng)大的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，在太空中還有戰(zhàn)略預(yù)警系統(tǒng)，空中有預(yù)警機(jī)，這對飛行器在戰(zhàn)爭中的生存構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。因此，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場的勝負(fù)，往往與電子雷達(dá)偵察技術(shù)的先進(jìn)與否有著千絲萬縷的聯(lián)系，偵察與反偵察技術(shù)手段的運(yùn)用非常重要。對于武器系統(tǒng)而言，衡量系統(tǒng)雷達(dá)隱身性能優(yōu)劣的相當(dāng)重要的指標(biāo)就是雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section， RCS）[1]，而武器系統(tǒng)RCS的主要貢獻(xiàn)者往往是武器系統(tǒng)上的天線產(chǎn)生的RCS。因此針對雷達(dá)天線隱身設(shè)計的隱身天線罩技術(shù)就得到廣泛運(yùn)用。

天線罩是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，它能保護(hù)天線免受外界環(huán)境干擾，提供全天候的工作環(huán)境[2]。而實(shí)現(xiàn)天線罩隱身功能的天線罩技術(shù)目前主要包括頻率選擇表面技術(shù)（Frequency Selective Surface， FSS）、極化選擇表面技術(shù)、阻抗加載技術(shù)以及時域隱身技術(shù)等。目前國內(nèi)外隱身天線罩技術(shù)運(yùn)用最廣泛的是頻率選擇表面（FSS）技術(shù)[3]，頻率選擇表面窗口吸波體就是基于這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。美國的F-117戰(zhàn)斗機(jī)、F-22戰(zhàn)斗機(jī)、B-2轟炸機(jī)等飛行器均采用了FSS隱身天線罩技術(shù)，并進(jìn)入工程實(shí)用階段，在實(shí)戰(zhàn)中展現(xiàn)出了優(yōu)良的性能[4]。

FSS是指一種周期表面，由完全相同的單元沿一維或而二維方向周期排列而組成的無限大陣列[5]。FSS本質(zhì)是一種空間濾波器，主要分為貼片型FSS和孔隙型FSS，可以抑制和透過某些特定頻段的電磁波。FSS在天線罩、極化器、二色性反射面、電磁吸波體等方向都得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為近十幾年來電磁學(xué)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文在常用雷達(dá)工作頻段范圍（2～12 GHz）內(nèi)，提出了一種基于FSS的小型化寬帶吸波的窗口吸波體，它能實(shí)現(xiàn)在C波段內(nèi)透波，且在C波段兩側(cè)S和X波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶電磁波吸收。

1? 窗口吸波體設(shè)計

傳統(tǒng)的帶通FSS天線罩雖然能通過外形隱身設(shè)計來減小雷達(dá)天線的單站RCS，但不能控制雷達(dá)天線的雙站RCS散射。如圖1所示的是傳統(tǒng)帶通FSS天線罩工作原理圖和理想帶通天線罩的頻率傳輸響應(yīng)曲線。在雷達(dá)工作頻帶內(nèi)，電磁波信號可以不受阻礙地通過天線罩保證天線的正常發(fā)射與接收，在工作頻帶外，天線罩對電磁波形成全反射，并且利用罩體的外形將來波散射到其他方向，達(dá)到降低天線通帶外RCS的目的。但是對于如今發(fā)達(dá)的多基站雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)探測系統(tǒng)，利用外形隱身的飛行器目標(biāo)散射到其他方向的雷達(dá)波信號很容易被探測到，所以傳統(tǒng)的帶通FSS天線罩不能很好地應(yīng)對如今越來越發(fā)達(dá)的雷達(dá)探測技術(shù)。而頻率選擇表面窗口吸波體是一種帶有窗口透波的吸波體結(jié)構(gòu)，對電磁波具有頻帶內(nèi)透波/頻帶外吸波的特性。相對于傳統(tǒng)的帶通FSS天線罩，基于窗口吸波體的天線罩可以使雷達(dá)在工作頻段內(nèi)對電磁波是“透明”的，保證雷達(dá)的正常通信，又可以直接吸收工作頻段外入射的敵方雷達(dá)波，有效降低雷達(dá)天線的雙站RCS，實(shí)現(xiàn)全方位的隱身。

近年來，國內(nèi)外已經(jīng)報道了一些相關(guān)具有透波和吸波特性的窗口吸波體設(shè)計[6-9]。從已報道的研究結(jié)果來看，窗口吸波體可分為基于二維（2-D）結(jié)構(gòu)和3-D結(jié)構(gòu)來設(shè)計。本文針對2-D窗口吸波體進(jìn)行設(shè)計，對于2-D窗口吸波體設(shè)計，其一般的結(jié)構(gòu)是通過在一層透波層上方級聯(lián)一層吸波層，且兩層FSS的中間通過介質(zhì)層來隔開。其中透波層的設(shè)計一般采用無損耗帶通FSS來實(shí)現(xiàn)。吸波層的設(shè)計需要在吸波頻段滿足良好的吸波性能，同時也需要兼顧在透波頻段滿足低插損透波，所以相對于透波層，吸波層的設(shè)計要求會更高。本文利用三腿加載單元結(jié)構(gòu)構(gòu)建吸波層來設(shè)計雙側(cè)吸波寬帶窗口吸波體，同時窗口吸波體FSS單元排布的方式采用等邊三角形柵格排布，實(shí)現(xiàn)了透波頻帶外雙側(cè)寬帶吸波。

2? 窗口吸波體結(jié)構(gòu)

窗口吸波體典型結(jié)構(gòu)分為吸波層、介質(zhì)層、透波層。吸波層通過電路模擬吸波體（Circuit Analog Absorber）[4]來實(shí)現(xiàn)寬頻帶吸波設(shè)計，透波層的設(shè)計采用無損耗帶通頻率選擇表面來實(shí)現(xiàn)，需要保證在透波頻點(diǎn)滿足低插損透波，同時需要在吸波頻段實(shí)現(xiàn)寬阻帶全反射效果，充當(dāng)電路模擬吸收體的金屬底板的作用，和吸波層共同實(shí)現(xiàn)吸波性能。吸波層的設(shè)計需要吸波頻段具有良好的吸波性能的同時，也兼顧在透波頻段滿足低插損透波，所以往往需要對吸波層做相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到窗口吸波體整體最佳的吸波和透波性能。

本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一款在C波段透波，在C波段兩側(cè)頻段S波段和X波段吸波的2D結(jié)構(gòu)的雙側(cè)吸波窗口吸波體。下面分別對吸波層單元和透波層單元進(jìn)行設(shè)計分析。

吸波層FSS單元采用三腿加載單元加載集總電阻設(shè)計實(shí)現(xiàn)。吸波層FSS單元排布的方式為等邊三角形柵格排布，Munk B A教授在其著作中提到過，減小FSS單元之間的排布空隙有利于FSS的斜入射穩(wěn)定性，同時能夠增加響應(yīng)帶寬[3]。三腿加載單元可以等效為并聯(lián)LC諧振電路，在其諧振頻點(diǎn)處引入吸波層的透波窗口。三腿加載單元也可看做1/4λ短路傳輸線加載，1/4λ短路傳輸線終端阻抗，當(dāng)頻率f達(dá)到對應(yīng)的波長λ時，終端阻抗為無窮大，有效的阻止了電流在整個三腿加載單元上的電流流動，從而降低集總電阻產(chǎn)生的插損形成良好透波。根據(jù)設(shè)計的加載單元腿長度為12 mm，對應(yīng)的1/4λ頻點(diǎn)將在6 GHz頻點(diǎn)附近透波。利用HFSS對吸波層FSS單元分別設(shè)置加載的集總電阻為0 Ω和75 Ω仿真其傳輸系數(shù)曲線如圖1所示。

從傳輸反射曲線可以看到吸波層在5.8 GHz頻點(diǎn)左右產(chǎn)生透波，且在5 GHz頻點(diǎn)兩側(cè)4 GHz和8 GHz左右頻點(diǎn)處產(chǎn)生兩個全反射諧振頻點(diǎn)。當(dāng)電阻R增大為75 Ω時，透波諧振頻點(diǎn)處S21=-0.4 dB，表明電阻R在透波諧振頻點(diǎn)處產(chǎn)生的損耗較小，使吸波層能保持良好透波性能。

吸波層與接地金屬底板構(gòu)成電路模擬吸波體結(jié)構(gòu)[3]，仿真得到其吸波性能，其吸波性能的好壞基本決定了吸波層與透波層復(fù)合后整體結(jié)構(gòu)的吸波性能。電路模擬吸波體的吸波性能與其表面等效阻抗和自由空間阻抗的匹配情況有關(guān)。吸波層的等效阻抗與吸波層FSS加載的集總電阻R和FSS層與金屬接地板的距離H有關(guān)。如圖2所示吸波層集總電阻R與吸波層與金屬接地板的距離H取不同值的反射系數(shù)大小變化規(guī)律。當(dāng)電阻R增大時，低頻段吸波性能變差，總體吸波性能變差。當(dāng)增大與金屬接地板的距離H時，低頻吸波性能變化不明顯，高頻吸波性能變差。所以綜合低頻和高頻的吸波性能，吸波層電阻值選取為75歐姆，與金屬接地板的距離H選取為7.5 mm可以獲得更好的吸波效果。

由于吸波層FSS單元排布的方式為等邊三角形柵格排布，為了便于吸波層和透波層進(jìn)行復(fù)合仿真，所以透波層FSS單元采用六邊形孔徑圖案進(jìn)行設(shè)計。對于六邊形孔徑FSS單元透波層，其仿真?zhèn)鬏斚禂?shù)曲線如圖3所示。從透薄層傳輸曲線可以看到，F(xiàn)SS透波層與吸波層都在5.8 GHz處產(chǎn)生透波，S21=-0.2 dB，同時在5.8 GHz兩側(cè)均產(chǎn)生了較好的全反射效果，有利于吸波層在5.8 GHz產(chǎn)生良好的吸波效果。

將上述吸波層FSS和透波層FSS結(jié)構(gòu)級聯(lián)組成窗口吸波體，兩層FSS的中間介質(zhì)層為空氣介質(zhì)層，F(xiàn)SS單元基底介質(zhì)均為FR4（εr=4.4，tanδ=0.02）。

然后，利用HFSS三維電磁仿真軟件對窗口吸波體復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，并進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到最終的窗口吸波體各層FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，吸波層和透波層FSS單元介質(zhì)基底FR4厚度分別為0.15 mm和0.8 mm，中間介質(zhì)層為空氣腔，厚度為h=7.5 mm，R=75 Ω。仿真得到窗口吸波體的傳輸反射系數(shù)曲線如圖4所示，從S21和S11曲線可以得到窗口吸波體的在5.8 GHz附近為透波頻帶，在5.8 GHz插損最小約為-0.65 dB，且在頻帶為5.6～6.2 GHz帶寬范圍內(nèi)透波系數(shù)滿足S21>-1 dB。而在透波頻帶兩側(cè)2.0～2.7 GHz和5.5～11.7GHz帶寬范圍內(nèi)反射系數(shù)滿足S11<-10 dB。根據(jù)公式Absorption=1-S112-S212計算得到吸波效率，可得到在S波段2.1～3.0 GHz和X波段附近7.4～11.9 GHz能產(chǎn)生大于80%的吸波效果。

3? 總? 結(jié)

本文首先對窗口吸波體的典型結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析，然后利用三腿偶極子單元結(jié)構(gòu)和六邊形孔徑單元分別作為吸波層和透波層結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行設(shè)計，采用三角形柵格單元排布方式設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一款寬帶雙側(cè)吸波窗口吸波體結(jié)構(gòu)。同時，對吸波層吸波特性和傳輸特性以及透波層的傳輸特性分別進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果得到窗口吸波體在5.8 GHz附近頻段透波，在5.6～6.2 GHz帶寬范圍內(nèi)透波系數(shù)滿足S21>-1 dB。而在透波頻帶兩側(cè)2.0～2.7 GHz和5.5～11.7 GHz帶寬范圍內(nèi)反射系數(shù)滿足S11<-10 dB，窗口吸波體在S波段和X波段內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了較好的吸波效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù) [M].國防工業(yè)出版社，1998.

[2] 張強(qiáng).天線罩理論與設(shè)計方法 [M].國防工業(yè)出版社，2014.

[3] 許媛.頻率選擇表面天線罩研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017，14（19）：123+125.

[4] 孟慶杰，樊君，石軍威，等.隱身天線罩的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J].紡織導(dǎo)報，2018（S1）：108-112.

[5] MUNK B A. Frequency Selective Surfaces：Theory and Design [M].Wiley，2000.

[6] COSTA F，MONORCHIO A. A Frequency Selective Radome With Wideband Absorbing Properties [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（6）：2740-2747.

[7] MOTEVASSELIAN A，JONSSON B L G. Design of a wideband rasorber with a polarisation-sensitive transparent window [J].IET Microwaves，Antennas & Propagation，2012，6（7）：747-755，2011.

[8] GUO Q X，LI Z R，SU J X，et al. Dual-Polarization Absorptive/Transmissive Frequency Selective Surface Based on Tripole Elements [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2019，18（5）：961-965.

[9] LI B，SHEN Z X. Wideband 3D Frequency Selective Rasorber [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（12）：6536-6541.

作者簡介：夏靖（1994-），男，漢族，湖北武漢人，工程師，碩士，研究方向：電磁超材料。

3972500338215