基于圆环FSS 的宽带吸波材料设计研究

2019-12-19王明亮刘佳琪张生俊

导弹与航天运载技术 2019年6期

王明亮，刘佳琪，刘鑫，张生俊，穆磊

（1. 北京航天长征飞行器研究所，北京，100076；2. 试验物理与计算数学国家重点试验室，北京，100076）

0 引言

雷达吸波材料（Radar Absorbing Materials，RAM）是指能够有效吸收入射雷达波，从而使其目标回波强度显著衰减的一类功能材料[1]。通常由于受到雷达吸波材料的应用环境条件限制，吸波材料涂层厚度限制在毫米量级，难以满足在多个频段同时具有良好吸波性能的应用需求。为了改善吸波材料的微波吸收性能，国内外对吸波材料与圆形频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）复合技术进行了研究和探索。Sha Yanan 等[2]分析了不同FSS 图案及FSS 在碳纤维复合材料中的位置对材料反射特性的影响；Chambers B等[3]利用方环单元阻抗层改善吸波材料的低频波段吸收性能；Avraham Frenkel 等[4]研究了毫米波段的吸收型FSS 设计；张成刚等[5]研究发现可调频率选择表面吸收体中通过改变集总器件电阻值，可实现吸波材料的吸收带宽可调控；刘红英等[6]利用FSS 改善微波吸收材料S 波段吸波性能，材料反射系数小于-10 dB 频带范围为2.7～5.1 GHz，频带宽度为2.4 GHz；刘海韬等[7]利用试验和数值计算研究了电阻型容性FSS 吸收体在4～18 GHz 频率范围的吸波性能影响因素，通过合理选取FSS 单元方阻等参数改善了低频的带宽特性；McGuigan N 等[8]研究了阻抗加载FSS 吸波体的近场散射性能。这些研究表明FSS 在减小吸波材料厚度、改善吸波性能等方面有着较好的应用前景。但对于在多个波段同时具有高吸收、大带宽、厚度薄等性能，特别是涉及到2～12 GHz 频率范围，仍然是目前薄层吸波材料的设计难点。

本文针对含有FSS 的吸波材料复合结构，开展了FSS 设计研究，用以改善吸波材料在2～12 GHz 范围宽频段的吸波性能，利用数值仿真研究分析了FSS 单元图案形状、几何尺寸等设计参数对吸波材料反射率的影响规律。

1 设计原理

含有FSS 的吸波材料结构反射性能可以采用传输线等效电路模型进行分析。FSS 与吸波材料复合结构示意如图1 所示，其等效电路如图2 所示。

图1 FSS 与吸波材料复合结构示意 Fig.1 The Composite Structure of FSS and Absorbing Material

图2 FSS 与吸波材料复合结构等效电路示意 Fig.2 The Equivalent Circuit for the Composite Structure of FSS and Absorbing Material

根据传输线理论，吸波材料的反射系数Γ 可由下式计算：

式中in()iZ 为材料的输入阻抗；0Z 为自由空间波阻抗。对于多层吸波材料等效电路模型，第i 层的等效输入阻抗可表示为

观察上述公式，在含有FSS 的吸波材料复合结构中，吸波材料的电损耗和磁损耗与FSS 频响特性共同影响着材料的吸波性能。基于吸波材料电磁参数开展FSS 单元优化设计，通过设计FSS 单元形状、几何尺寸、周期排布参数，以调节FSS 的谐振频率和等效阻抗特性，可改变吸波材料在FSS 谐振频率点的反射率特性，进而改变吸波材料复合结构的多频段宽带吸波性能。

2 结果与分析

为了改善吸波材料在2～12 GHz 的吸波性能，在低频段和高波段同时实现高吸收性能，并具有材料厚度薄的特点，本文基于周期性排布结构设计了两种FSS 吸波材料复合结构，一种是圆环形FSS，一种是复合型FSS，并采用FDTD 算法研究分析了FSS 单元几何参数、阵列周期、衬底材料等参数对吸波材料反射率性能的影响规律。

2.1 FSS 吸波材料复合结构设计与性能

首先，在吸波材料结构体中设计了一种圆环形FSS 单元，如图3 所示。文中设计的FSS 单元为圆环形金属贴片单元结构，圆环外半径为8 mm，圆环宽度为1 mm，单元周期为20 mm，衬底介质厚度为0.1 mm，介电常数是1.05，采用正方形排布方式，吸波材料厚度为3 mm。通过对FSS 单元在吸波材料中的优化设计，含有FSS 的吸波材料复合结构与无FSS 吸波材料反射率特性仿真结果如图4 所示。

图3 圆环形FSS 单元几何形状 Fig.3 The Geometry Shape for Ring FSS Unit

图4 吸波材料增加圆环形FSS 前后的反射率对比 Fig.4 The Comparison of Reflectivity Performance for Absorbing Materials between with Ring FSS and without FSS

仿真结果显示，单独应用吸波材料在2.5～4.5 GHz具有较好的微波吸收性能，反射率优于-10 dB，但是在5 GHz 以上的高频范围内反射率接近-5 dB，吸波性能非常有限。在相同的吸波材料中引入FSS 单元后，FSS 吸波材料复合结构形成2 个宽带吸波峰，其中心频率分别位于4.3 GHz 和6 GHz，其反射率分别为-25 dB、-37 dB，并且从3.7～8 GHz 反射率均低于-10 dB，由原吸波材料的2 GHz 带宽拓宽到了4 GHz的吸收带宽，在材料厚度薄的条件下拓宽了吸收带宽；并且反射率性能明显优于不含FSS 的吸波材料，提高了吸波能力，获得了良好的吸波性能。

在圆环形FSS 单元的基础上，设计了一种圆环与十字环复合的FSS 单元结构（见图5），并与吸波材料复合，仿真结果如图6 所示。由图6 可知，增加了十字环结构以后，复合吸波材料结构的吸收峰向更高的频率偏移，吸收峰中心频率分别位于4.8 GHz 和7.2 GHz，并且，反射率低于-10 dB 的频率范围达到约5 GHz 的吸收带宽（4～9 GHz）。

图5 圆环形FSS 单元几何形状 Fig.5 The Geometry Shape for Designed Ring FSS Unit

图6 吸波材料增加圆环形FSS 前、后的反射率对比 Fig.6 The Comparison of Reflectivity Performance for Absorbing Materials between with Different FSS and without FSS

根据上述两种FSS 单元设计，以及与同一种吸波材料复合的整体吸波性能，在吸波材料中引入周期性单元结构，能够增加吸收峰的数量，同时有效调节吸波材料的吸收峰频率、吸收带宽和反射率幅度。因此，在现有吸波材料的基础上，可通过增加FSS 设计，人为地控制吸收峰的位置，达到所需的吸波效果。

2.2 阵列周期对吸波性能影响

针对圆环形FSS 吸波材料结构，在其他设计参数不变的前提下，仅调整FSS 单元的排布周期，反射率性能仿真及对比结果如图7 所示。可见随着FSS 单元周期长度的增大，吸波材料在高频段的吸收峰中心频率由6 GHz 逐渐向5.5 GHz 漂移，而在低频段的吸收峰中心频率由4.2 GHz 逐渐向4.5 GHz 漂移。同时，两个吸收峰频率之间的反射率曲线整体向下偏移，当周期长度由18 mm 增大到30 mm 时，吸收峰之间的反射率由-10 dB 降低到-15 dB，获得了更好的吸收效果。因此，通过调节FSS 单元周期，可在微波波段、特别是4～8 GHz 频率范围内提高宽频吸收性能。

图7 FSS 周期长度对吸波材料反射率的影响 Fig.7 The Influence of FSS Period Length on Reflectivity of Absorbing Materials

2.3 FSS 圆环半径对吸波性能影响

改变FSS 圆环形单元的外半径，研究FSS 单元的几何参数对吸波材料反射率性能的影响，反射率性能仿真及对比结果如图8 所示。

图8 FSS 圆半径参数对吸波材料反射率的影响 Fig.8 The Influence of FSS Radius on Reflectivity of Absorbing Materials

由图8 可知，FSS 圆半径在6～9 mm的范围内变化，吸波材料吸收峰峰值发生明显改变，获得高的吸收性能，并且，吸收峰中心频率逐渐向低频方向偏移，即第一吸收峰中心谐振频率由5 GHz 偏移到3.8 GHz，第二吸收峰中心谐振频率由7 GHz 偏移到6 GHz。因此，FSS 单元半径参数对吸波材料的吸收峰中心频率影响明显，适当的半径参数能够使吸波材料在中心频率获得反射率极低的吸收峰。