一种基于有源频率选择表面的可调吸波体特性分析

曾宪亮，张麟兮，万国宾

西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710072

0 引 言

随着新型雷达探测设备以及反舰导弹技术的不断发展，水面舰船的防空和生存能力将面临更大的挑战。电磁隐身技术的应用可有效降低舰船的信号特征，实现隐身效果，进而提升舰船的战场生存力和综合效能。因此，对电磁隐身技术的深入研究在现代军事发展中具有十分重要的意义和价值[1-2]。

基于频率选择表面(frequency selective surface,FSS)的吸波体可在宽频带内将入射电磁波有效吸收，从而大幅度减小目标结构的反射特性[3-6]。近几年来，国内外有学者针对此问题开展了研究。例如，惠忆聪等[5]设计了一种由电阻型FSS和磁性材料结合的新型吸波体模型，通过仿真研究发现，引入集总电阻元件可进一步拓展吸波带宽，在8～15 GHz频段内实现良好的吸波性能。Zabri等[7]提出了一种六边形环状单元的电阻膜型FSS吸波体，通过嵌套4个不同大小的六方环构成组合单元，实现了7.8～24 GHz宽频带内的吸波效应。Ghosh等[8]设计了一种被称为电路模拟吸波体的宽带雷达吸波结构，该结构主要由上层加载有集总电阻元件的双方环和底层同样加载有电阻的单方环组成，进而利用各层在不同频段的谐振效应实现宽频带吸波效果，其最终反射率低于-10 dB的相对带宽可达到114.4%，可工作于C，X和Ku波段。

然而，上述研究中无论是集总元件还是电阻膜加载构成的FSS吸波体，在设计完成后其工作频带、吸波性能等参数都将固定不变，难以较好地应用于多变的复杂电磁环境中。因此，研究人员将有源器件加载到FSS吸波体中，逐渐形成了一类新的吸波结构——有源频率选择表面(active frequency selective surface, AFSS)吸波体，这种结构通过改变外界施加的激励，能够实现对吸波性能的动态调控[9-11]。目前，在AFSS吸波体的诸多研究方法中，主要采用全波仿真分析、等效电路理论等方法，尚缺乏对电磁波在多层结构内部传播时的理想吸波效果与电磁波幅度相位间关系的研究。

本文拟提出一种基于PIN二极管加载的AFSS吸波体，当改变提供给二极管的正偏电流时，吸波体的反射系数随之改变。为此，将采用多反射干涉理论验证电磁波在该吸波体中传播时，在理想吸波情况下电磁波的幅度和相位条件，并将原理样件置于微波暗室内展开测试分析，以得到AFSS吸波体在增加PIN二极管后的反射率特性。

1 单元模型与仿真结果

1.1 结构模型

本文所提AFSS吸波体的单元结构如图1所示。该单元的上层为含有PIN二极管的AFSS结构，主要由2个反向的锚型金属图案构成，PIN二极管加载在中间位置；第2层为支撑AFSS的介质层Arlon AD 250C，其相对介电常数εr1=2.5，损耗正切tanδ1=0.001 3；第3层为泡沫隔离层，介电常数和损耗正切分别为εr2=1.01，tanδ2=0.005，此处，选择厚度较大、介电常数较小的泡沫作为隔离层可有效提升结构的工作带宽[12]；底层为全覆盖的金属背板。图1中，E，H和k分别为入射电磁波的电场、磁场和波矢方向。单元结构的几何参数如表1所示。

图 1 AFSS吸波体单元结构图Fig. 1 Unit cell of the proposed AFSS absorber

表 1 AFSS吸波体物理尺寸Table 1 Physical dimensions of the proposed AFSS absorber

1.2 仿真结果

利用全波电磁仿真软件CST对上述提出的模型进行仿真。将AFSS单元四周设置为周期性边界条件，模拟无穷大周期结构；激励端口设置为平面电磁波，垂直照射到AFSS吸波体表面，电场极化方向沿中间金属条带方向。由于底层为金属背板，电磁波无法透射，因此反射率即可反映吸波体结构的吸波性能。在二极管类型方面，本文选取了NXP BAP 70-03二极管，将PIN二极管等效为一个电阻值随正向电流的增大而逐渐减小的可变电阻；全波仿真中，在正向导通的情况下，将PIN二极管设置为一定电阻值的集总元件模型。图2所示为二极管不同等效电阻时AFSS吸波体在2～10 GHz频段内相应的反射率仿真结果。

图 2 AFSS吸波体反射率仿真结果Fig. 2 Simulated reflectivity of the proposed AFSS absorber

由仿真结果可见，当PIN二极管等效电阻变化时，AFSS吸波体的反射率随之改变。这是因为电阻的变化改变了AFSS结构的输入阻抗特性，进而使得反射率产生变化；在PIN二极管等效电阻逐渐增大的过程中，获得的反射率结果低于-10 dB的频带范围可连续覆盖2.6～7.5 GHz。

图3给出了不同等效电阻加载下AFSS吸波体在相应谐振频点的表面电流图。图中，箭头表示电流方向，颜色深浅表示电流幅度（单位：A/m）。由图可见，在入射电磁波照射下，表面感应电流主要分布在金属条带上，汇聚后流经中心PIN二极管加载处。另外，加载了不同数值大小的电阻，将不同程度地改变表面的电流路径，而且AFSS吸波体结构的谐振吸波频率也会随之改变，从而实现反射率的频率响应随PIN二极管不同状态变化的调控效果。二极管的等效电阻效应则可以通过欧姆损耗将入射电磁波的能量转化为热能，进而有效降低AFSS吸波体的反射率。本文设计的锚型金属AFSS图案有利于表面感应电流的汇聚，可以实现良好的吸波效应。

为进一步说明PIN二极管的欧姆损耗效应，图4给出了仿真结果，由图可见二极管贡献的功率损耗占总输入电磁波能量的比例。此结果说明：在2.6～7.5 GHz频带内，二极管损耗了入射电磁波的大部分能量；另外，在不同等效电阻情况下，损耗占比和所处频段均有不同，且其特性与图2中对应的反射率结果几乎完全一致。这表明，AFSS吸波体的低反射率特性是PIN二极管等效电阻产生欧姆损耗导致的结果。

图 3 AFSS吸波体表面的电流分布Fig. 3 Surface current distributions of the proposed AFSS absorber

图 4 总能量中的二极管损耗占比Fig. 4 The ratio of loss from diode to the total energy

2 理论分析

多层结构中，电磁波在不同结构分界面处将产生反射和透射，结构的总体电磁特性由不同传播路径的电磁波叠加而成。因此，在分析多层结构时，本文利用了多反射干涉理论展开研究，可以较深入地探讨理想吸波效应的物理机理[13]。图5所示为多反射干涉理论分析模型。假设AFSS层和金属背板的厚度均为0，与工作波长和介质厚度相比，可忽略不计，并可将自由空间与吸波体分为2个区域和2个界面，即入射电磁波的来波自由空间区域1和吸波体介质层构成的区域2，以及AFSS层所处的界面1和介质与金属背板的分界面2。此处，为简便考虑，本文将Arlon和泡沫层这2种介质等效为一种组合介质来展开分析。

图 5 多反射干涉理论模型Fig. 5 The model of multi-reflection interference theory

式中：β=nk0，为介质中的波数，其中k0表示自由空间的波数，n表示介质的折射率；d为从界面1到金属背板界面2的电磁波有效传播路径长度，d=t·cos(arcsin(sinα/(ε2/ε1)1/2))，其中t为介质层的物理厚度，ε1和ε2分别为区域1和区域2的相对介电常数。利用微波技术中二端口无损耗网络的散射参数性质[14]：(θ12+θ21)-(φ12+φ21)=±π，则式（1）可以进一步改写为

式中，φ21-π-2βd为在区域2内相邻两次电磁波在界面1处的反射相位差，为便于表示，这里采用一个新的变量γ来表示。若要使吸波体整体的反射系数S11=0，则由式（2）可知，必须同时满足以下的幅度和相位条件：

式（3）和式（4）即为吸波体结构理想吸波的幅度及相位条件。

为验证上述结论，图6相应地给出了当PIN二极管等效电阻为100 Ω时，仿真获得的幅度和相位结果。由仿真计算结果可知，在5～6 GHz频带范围内，由散射参数计算的2种幅度响应几乎一致，且相位趋近于0°，即同时满足上述的幅度和相位条件；对应地，幅—相条件页可反映图2中AFSS吸波体在该频带范围内表现出的低反射特性。

图 6 利用多反射干涉理论计算的幅度和相位结果Fig. 6 The calculated magnitudes and phase using the interference theory

多反射干涉理论的特点是，在不含金属背板的情况下，只需要知道电磁波在界面1处的反射系数和透射系数，即可计算出含金属背板的吸波体结构的整体反射率。为便于比较，将4种等效电阻状态下由多反射干涉理论计算获得的反射率与之前的仿真结果进行了比较，结果如图7所示。

由图7可见，在加载不同等效电阻的情况下，仿真与计算结果的频率响应特性大致相同，仅在部分频带内有较小的差距，这是因为采用干涉理论计算时并未考虑各层间的耦合效应。总体上，采用多反射干涉理论可以有效地研究和分析本文所提出的AFSS吸波体反射率调控特性的问题。

图 7 利用CST仿真和干涉理论计算的反射率结果Fig. 7 Reflectivity of the proposed absorber simulated by CST and calculated from the interference theory

3 测试结果

在实物加工与测试中，确立最终的仿真模型后，采用印刷电路板技术制备了上层附着于Arlon介质的平板AFSS实验样件，如图8(a)所示。实物样件总共包含10×10个周期单元，上、下层金属结构的电导率为5.8×107S/m。整体结构的物理尺寸为415 mm×415 mm，为中心频率6 GHz对应波长的8.3倍。在实测中，根据仿真模型，在上层AFSS样件和底层金属背板间添加了一层厚度为10 mm的泡沫层。每排10个单元中的二极管在串联后，正、负极分别连接至左侧和右侧，由0.5 mm的细馈线最终汇总至板子下层集中馈电；由于采用串联馈电，每排10个PIN二极管上流经的电流相同，因此其所处状态及等效电阻也完全相同，从而实现了良好的偏置控制。采用的PIN二极管型号为NXP BAP 70-03，当其正偏电流从0.1 mA增加至100 mA时，等效电阻将从330 Ω逐渐减小至2 Ω。图8(b)为反射率测试示意图。在微波暗室内，将样件平板固定在转台上，收发天线与转台的距离满足了测试要求的远场条件。为减小背景杂波和环境等因素的干扰，在微波暗室内和转台周围放置有锥形吸波材料。

为获得AFSS吸波体实物样件的反射率，首先将同样大小的金属铝板放置在转台上，测试此时的反射参数频响，并作为校准值，然后将实物样件放置在相同位置，逐渐改变直流电源的电压大小，其他条件均保持不变，测得每一个正向电压下AFSS吸波体的频响特性，并与金属背板测试所得的反射参数作差，即为AFSS吸波体的反射率。图9所示为最终测试结果，图中标注的电压数值为10个PIN二极管串联后的总电压，因此每个二极管两端的电压变化范围为0.55～0.7 V。

图 8 AFSS吸波体样件和反射率测试示意图Fig. 8 Photograph of the fabricated AFSS absorber and reflection measurement setup

图 9 AFSS吸波体反射率测试结果Fig. 9 Measured reflectivity of the proposed AFSS absorber

由测试结果可知，当逐渐改变偏置电压时，AFSS吸波体可在2.5～9.1 GHz频带内保持较低的反射率。与仿真结果相比，测试的反射率在3.5～4.9 GHz时要略大于-10 dB，但均在-8.5 dB以下。测试结果显示的调控趋势和频带范围基本与仿真结果一致，出现较小的误差可能包括3个原因：一是PIN二极管人工焊接中产生的寄生效应难以在仿真中真实体现；二是测试样件的尺寸为有限大小，而仿真对象为无穷大的周期结构；三是在实物加工和暗室测试过程中，人为的操作可能会带来一定的误差。

4 结 语

由PIN二极管加载的AFSS与含金属背板的介质组合，可构成一种新型微波可调吸收体。通过改变加载到二极管两端的偏压状态，利用不同阻抗状态下的欧姆吸波效应，即可实现在2.5～9.1 GHz频带范围内对AFSS吸波体的反射率动态调控。本文设计的宽带可调吸波体，在多频复杂电磁环境下的武器装备隐身设计中具有一定的参考价值和应用前景。