双侧吸波频率选择表面窗口吸波体设计

夏靖 金湾湾 刘钢 周畅

摘  要：频率选择表面窗口吸波体是一种基于频率选择表面（FSS）的带有窗口透波的吸波体结构，它对电磁波具有频带内透波/频带外吸波的特性，这使得它在雷达隐身、天线罩等领域具有广阔的应用前景。本文从FSS吸波层和FSS透波层分别进行分析设计，提出了一种基于FSS的宽带双侧吸波的FSS窗口吸波体。通过仿真得到，窗口吸波体在5.8 GHz附近透波，且在透波频段两侧2.1～3.0 GHz和7.4～11.9 GHz能实现80%吸波率的宽带吸波效果。

关键词：窗口吸波体;频率选择表面;雷达隐身;双侧吸波

中图分类号：TN95;TP391.9      文献标识码：A文章编号：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

隨着科学技术的快速发展，针对飞行器等武器系统的雷达探测技术日益完善，不仅在地面有强大的雷达网络，在太空中还有战略预警系统，空中有预警机，这对飞行器在战争中的生存构成了严重的威胁。因此，现代战争中战场的胜负，往往与电子雷达侦察技术的先进与否有着千丝万缕的联系，侦察与反侦察技术手段的运用非常重要。对于武器系统而言，衡量系统雷达隐身性能优劣的相当重要的指标就是雷达散射截面（Radar Cross Section， RCS）[1]，而武器系统RCS的主要贡献者往往是武器系统上的天线产生的RCS。因此针对雷达天线隐身设计的隐身天线罩技术就得到广泛运用。

天线罩是雷达系统的重要组成部分，它能保护天线免受外界环境干扰，提供全天候的工作环境[2]。而实现天线罩隐身功能的天线罩技术目前主要包括频率选择表面技术（Frequency Selective Surface， FSS）、极化选择表面技术、阻抗加载技术以及时域隐身技术等。目前国内外隐身天线罩技术运用最广泛的是频率选择表面（FSS）技术[3]，频率选择表面窗口吸波体就是基于这项技术的应用。美国的F-117战斗机、F-22战斗机、B-2轰炸机等飞行器均采用了FSS隐身天线罩技术，并进入工程实用阶段，在实战中展现出了优良的性能[4]。

FSS是指一种周期表面，由完全相同的单元沿一维或而二维方向周期排列而组成的无限大阵列[5]。FSS本质是一种空间滤波器，主要分为贴片型FSS和孔隙型FSS，可以抑制和透过某些特定频段的电磁波。FSS在天线罩、极化器、二色性反射面、电磁吸波体等方向都得到了广泛的应用，已经成为近十几年来电磁学研究领域的研究热点。本文在常用雷达工作频段范围（2～12 GHz）内，提出了一种基于FSS的小型化宽带吸波的窗口吸波体，它能实现在C波段内透波，且在C波段两侧S和X波段内实现宽带电磁波吸收。

1  窗口吸波体设计

传统的带通FSS天线罩虽然能通过外形隐身设计来减小雷达天线的单站RCS，但不能控制雷达天线的双站RCS散射。如图1所示的是传统带通FSS天线罩工作原理图和理想带通天线罩的频率传输响应曲线。在雷达工作频带内，电磁波信号可以不受阻碍地通过天线罩保证天线的正常发射与接收，在工作频带外，天线罩对电磁波形成全反射，并且利用罩体的外形将来波散射到其他方向，达到降低天线通带外RCS的目的。但是对于如今发达的多基站雷达网络探测系统，利用外形隐身的飞行器目标散射到其他方向的雷达波信号很容易被探测到，所以传统的带通FSS天线罩不能很好地应对如今越来越发达的雷达探测技术。而频率选择表面窗口吸波体是一种带有窗口透波的吸波体结构，对电磁波具有频带内透波/频带外吸波的特性。相对于传统的带通FSS天线罩，基于窗口吸波体的天线罩可以使雷达在工作频段内对电磁波是“透明”的，保证雷达的正常通信，又可以直接吸收工作频段外入射的敌方雷达波，有效降低雷达天线的双站RCS，实现全方位的隐身。

近年来，国内外已经报道了一些相关具有透波和吸波特性的窗口吸波体设计[6-9]。从已报道的研究结果来看，窗口吸波体可分为基于二维（2-D）结构和3-D结构来设计。本文针对2-D窗口吸波体进行设计，对于2-D窗口吸波体设计，其一般的结构是通过在一层透波层上方级联一层吸波层，且两层FSS的中间通过介质层来隔开。其中透波层的设计一般采用无损耗带通FSS来实现。吸波层的设计需要在吸波频段满足良好的吸波性能，同时也需要兼顾在透波频段满足低插损透波，所以相对于透波层，吸波层的设计要求会更高。本文利用三腿加载单元结构构建吸波层来设计双侧吸波宽带窗口吸波体，同时窗口吸波体FSS单元排布的方式采用等边三角形栅格排布，实现了透波频带外双侧宽带吸波。

2  窗口吸波体结构

窗口吸波体典型结构分为吸波层、介质层、透波层。吸波层通过电路模拟吸波体（Circuit Analog Absorber）[4]来实现宽频带吸波设计，透波层的设计采用无损耗带通频率选择表面来实现，需要保证在透波频点满足低插损透波，同时需要在吸波频段实现宽阻带全反射效果，充当电路模拟吸收体的金属底板的作用，和吸波层共同实现吸波性能。吸波层的设计需要吸波频段具有良好的吸波性能的同时，也兼顾在透波频段满足低插损透波，所以往往需要对吸波层做相应的优化设计，以达到窗口吸波体整体最佳的吸波和透波性能。

本文设计实现了一款在C波段透波，在C波段两侧频段S波段和X波段吸波的2D结构的双侧吸波窗口吸波体。下面分别对吸波层单元和透波层单元进行设计分析。

吸波层FSS单元采用三腿加载单元加载集总电阻设计实现。吸波层FSS单元排布的方式为等边三角形栅格排布，Munk B A教授在其著作中提到过，减小FSS單元之间的排布空隙有利于FSS的斜入射稳定性，同时能够增加响应带宽[3]。三腿加载单元可以等效为并联LC谐振电路，在其谐振频点处引入吸波层的透波窗口。三腿加载单元也可看做1/4λ短路传输线加载，1/4λ短路传输线终端阻抗，当频率f达到对应的波长λ时，终端阻抗为无穷大，有效的阻止了电流在整个三腿加载单元上的电流流动，从而降低集总电阻产生的插损形成良好透波。根据设计的加载单元腿长度为12 mm，对应的1/4λ频点将在6 GHz频点附近透波。利用HFSS对吸波层FSS单元分别设置加载的集总电阻为0 Ω和75 Ω仿真其传输系数曲线如图1所示。

从传输反射曲线可以看到吸波层在5.8 GHz频点左右产生透波，且在5 GHz频点两侧4 GHz和8 GHz左右频点处产生两个全反射谐振频点。当电阻R增大为75 Ω时，透波谐振频点处S21=-0.4 dB，表明电阻R在透波谐振频点处产生的损耗较小，使吸波层能保持良好透波性能。

吸波层与接地金属底板构成电路模拟吸波体结构[3]，仿真得到其吸波性能，其吸波性能的好坏基本决定了吸波层与透波层复合后整体结构的吸波性能。电路模拟吸波体的吸波性能与其表面等效阻抗和自由空间阻抗的匹配情况有关。吸波层的等效阻抗与吸波层FSS加载的集总电阻R和FSS层与金属接地板的距离H有关。如图2所示吸波层集总电阻R与吸波层与金属接地板的距离H取不同值的反射系数大小变化规律。当电阻R增大时，低频段吸波性能变差，总体吸波性能变差。当增大与金属接地板的距离H时，低频吸波性能变化不明显，高频吸波性能变差。所以综合低频和高频的吸波性能，吸波层电阻值选取为75欧姆，与金属接地板的距离H选取为7.5 mm可以获得更好的吸波效果。

由于吸波层FSS单元排布的方式为等边三角形栅格排布，为了便于吸波层和透波层进行复合仿真，所以透波层FSS单元采用六边形孔径图案进行设计。对于六边形孔径FSS单元透波层，其仿真传输系数曲线如图3所示。从透薄层传输曲线可以看到，FSS透波层与吸波层都在5.8 GHz处产生透波，S21=-0.2 dB，同时在5.8 GHz两侧均产生了较好的全反射效果，有利于吸波层在5.8 GHz产生良好的吸波效果。

将上述吸波层FSS和透波层FSS结构级联组成窗口吸波体，两层FSS的中间介质层为空气介质层，FSS单元基底介质均为FR4（εr=4.4，tanδ=0.02）。

然后，利用HFSS三维电磁仿真软件对窗口吸波体复合结构进行建模计算，并进行仿真优化，得到最终的窗口吸波体各层FSS单元结构参数如表1所示，吸波层和透波层FSS单元介质基底FR4厚度分别为0.15 mm和0.8 mm，中间介质层为空气腔，厚度为h=7.5 mm，R=75 Ω。仿真得到窗口吸波体的传输反射系数曲线如图4所示，从S21和S11曲线可以得到窗口吸波体的在5.8 GHz附近为透波频带，在5.8 GHz插损最小约为-0.65 dB，且在频带为5.6～6.2 GHz带宽范围内透波系数满足S21>-1 dB。而在透波频带两侧2.0～2.7 GHz和5.5～11.7GHz带宽范围内反射系数满足S11<-10 dB。根据公式Absorption=1-S112-S212计算得到吸波效率，可得到在S波段2.1～3.0 GHz和X波段附近7.4～11.9 GHz能产生大于80%的吸波效果。

3  总  结

本文首先对窗口吸波体的典型结构组成进行了分析，然后利用三腿偶极子单元结构和六边形孔径单元分别作为吸波层和透波层结构单元进行设计，采用三角形栅格单元排布方式设计实现了一款宽带双侧吸波窗口吸波体结构。同时，对吸波层吸波特性和传输特性以及透波层的传输特性分别进行了仿真分析，仿真结果得到窗口吸波体在5.8 GHz附近频段透波，在5.6～6.2 GHz带宽范围内透波系数满足S21>-1 dB。而在透波频带两侧2.0～2.7 GHz和5.5～11.7 GHz带宽范围内反射系数满足S11<-10 dB，窗口吸波体在S波段和X波段内均实现了较好的吸波效果。

参考文献：

[1] 阮颖铮.雷达截面与隐身技术 [M].国防工业出版社，1998.

[2] 张强.天线罩理论与设计方法 [M].国防工业出版社，2014.

[3] 许媛.频率选择表面天线罩研究现状与发展趋势 [J].科技创新导报，2017，14（19）：123+125.

[4] 孟庆杰，樊君，石军威，等.隐身天线罩的研究现状与发展趋势 [J].纺织导报，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，汉族，湖北武汉人，工程师，硕士，研究方向：电磁超材料。

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