基于图形设计的吸波材料表面波衰减特性研究

朱亚光,张 珊,王 蕾,蔡长旭,陆海鹏

(电子科技大学 国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心,四川 成都 611731)

随着隐身技术的发展,通过外形隐身和材料隐身已经能够有效地控制现代飞行器等武器装备的镜面散射,而边缘、缝隙、材料突变等因素导致的非镜面散射就变得不可忽视,其中表面波散射是非镜面散射中的重要组成部分,抑制表面波是进一步降低RCS 的有效手段。19 世纪90 年代,德国物理学家Sommerfeld[1]最先发现表面电磁波的存在,自此开启了表面波研究的热潮。

随着对表面波的探索,很多关于表面波的研究集中在对其激励和传输特性的分析上,Ling[2]、Ufimtsev[3-4]和赵伯琳[5-6]等对表面波的基本特性进行了分析,包括传播常数、衰减、相位等,还推导了表面波衰减的经典色散方程。黄毅[7]通过改变吸收剂的填充比、球磨时间等观察衰减常数变化规律。尽管对表面波的研究已经开展了一百多年,但关于改变表面波的衰减性能研究较少。陈海燕等[8]在经典色散方程的基础上推导了有条件限制的表面波双层色散方程,随后通过加载电阻膜[9]和磁性薄膜[10]来改善表面波衰减性能。对于加载周期型结构的衰减性能研究更鲜有报道,黄大庆等[11]使用频率选择表面与吸波涂层结合,研究了不同频率点的表面波衰减性能变化,但使用RCS 变化判断表面波衰减的方法每次只能计算单个频点。因此需要计算全频段表面波衰减值的方法,对加载周期结构的宽频带表面波衰减性能进一步研究。

本文依据色散方程理论,利用磁性吸波材料分析了材料电磁参数对表面波衰减性能的影响,并设计图案化结构与吸波材料相结合,使用反演法得到等效参数计算全频段表面波衰减的变化,通过优化设计进一步改善衰减性能,为雷达吸波结构材料实现宽频带高表面波衰减提供了设计思路。

1 表面波的衰减计算

1.1 单层介质表面波衰减计算

基于Ufimtsev 等[2]对表面波的特性开展的一系列研究工作,其中表面波衰减的计算通过建立平面模型分析得到表面波的经典色散方程:

式中:k0是自由空间的波数;ε和μ分别是吸波材料的介电常数和磁导率;d为材料厚度。利用色散方程,在已知材料的电磁参数、厚度的情况下可计算得到表面波衰减值。

1.2 图形单元结构表面波衰减计算

由于不能通过仿真计算图案化结构的表面波衰减常数,因此采取将周期型结构等效为均匀介质,首先使用CST 仿真得到周期结构的S11和S21参数,进而使用反演法[12]代入公式可求得波阻抗Z和折射系数n:

得到最终的等效介电常数和磁导率为:

最后将计算出的等效电磁参数带入色散方程进行计算,即可得出此结构的表面波衰减。

2 单层吸波材料的表面波衰减性能分析

根据表面波衰减计算公式,研究了单层吸波介质的厚度和电磁参数对表面波衰减性能的影响。所设频率范围为0～12 GHz,计算得到衰减常数的结果如图1～2,可以看出衰减随着频率增加先达到最大值,然后逐渐降低达到零点,最后变为负值。负数形式的表面波衰减系数意味着在这些频率点,表面波无论以何种角度入射均不可能被激励产生,衰减达到零点的频率称为上限截止频率[2]。

2.1 厚度对表面波衰减的影响

本文计算讨论了厚度分别为1.5,2,2.5,3 mm吸波材料的衰减性能,如图1 所示,可以看出随着厚度的增加,同一频段的衰减性能并不是随之增强的,其衰减峰向低频移动同时峰值不断增大,但最大截止频率不断减小,衰减带宽不断变窄。综合折中考虑,使用厚度为2 mm 的吸波材料进行后续的研究分析。

图1 不同厚度吸波材料的衰减对比Fig.1 Attenuation comparison of absorbing materials with different thicknesses

2.2 电磁参数对表面波衰减的影响

接下来通过改变四个电磁参数中一个参数来对比分析该参数变化对衰减的影响,该参数变化比例为0.5 倍,1 倍,1.5 倍,2 倍,利用色散方程计算的结果如图2。由图2(a)可以看出随着单层吸波材料介电常数实部的减小,衰减峰向高频移动,衰减峰值不断增大,上限截止频率变大;图2(b)中介电常数虚部对衰减影响不明显,衰减峰值只会随其增大略微减小;但磁导率实部对衰减影响显著,随着实部的增大衰减峰值不断增大,上限截止频率增大,如图2(c)所示;由图2(d)可知随着磁导率虚部的增大,衰减峰向低频移动且截止频率减小,上限截止频率减小。

图2 材料的电磁参数变化对衰减的影响。(a) 改变介电常数实部;(b) 改变介电常数虚部;(c) 改变磁导率实部;(d) 改变磁导率虚部Fig.2 Effects of changes in electromagnetic parameters of the material on attenuation.(a) Change real part of permittivity;(b) Change imaginary part of permittivity;(c) Change real part of permeability;(d)Change imaginary part of permeability

因此可以得出结论:厚度会影响表面波衰减性能,低频衰减性能会随厚度的增大有所改善。介电常数实部会影响衰减峰值和上限截止频率,虚部影响不大;磁导率实部增大对衰减峰值和截止频率都有明显改善,虚部会影响其上限截止频率。

3 吸波结构的表面波衰减性能分析

上文研究了单层吸波材料的衰减特性,其材料参数会对其衰减性能产生一定影响,接下来在该材料的基础上通过结构化设计观察其衰减性能变化。

3.1 蛇形图案吸波结构的设计及衰减性能分析

蛇形图案吸波结构的基本单元如图3 所示,其由三层结构构成,分别是底层金属底板、中间磁性介质层以及最上层金属方环图案。其中金属底板和金属图案均使用电导率为5.8×108S/m 的铜,顶层图形单元是一个类似蛇形圈的金属图案。通过不断调节确定最终的结构参数,结构单元周期为p=6 mm,竖条长度为l=0.8 mm,依次减小r=0.1 mm,横条长度为y=0.3 mm,竖条和横条宽度w=0.1 mm,介质层厚度为h=2 mm,金属厚度为t=0.017 mm。

图3 结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the unit cell

讨论加载结构对衰减的影响,使用等效参数计算了该结构的表面波衰减。由图4 可见加载结构后表面波衰减出现了两个峰,同时高频峰向高频移动,上限截止频率增大,从4 GHz 提高到8 GHz,但峰值减弱。

图4 材料与结构的衰减对比Fig.4 Attenuation comparison of the material and the structure

3.2 改进型蛇形图案吸波结构的设计及衰减性能分析

在蛇形图案吸波结构的基础上,将中间磁性介质层由完整的磁性单元材料变为挖去中间方环部分,挖空至金属底板,形成改进型蛇形图案吸波结构,形成过程如图5。挖去的方环结构外环长度a=2.7 mm,内环长度b=1.9 mm。改进型结构示意图如图6。

图5 结构的形成过程Fig.5 Schematic diagram of the structure formation process

图6 改进型结构示意图Fig.6 Schematic diagram of the optimized unit cell

分析此种结构的衰减变化,由图7 可见,与蛇形图案吸波结构相比,改进型蛇形图案吸波结构的高频峰向高频移动,同时峰值增大,上限截止频率进一步增大,使上限截止频率从6 GHz 提高到8 GHz。改变结构周期,将等效参数带入色散方程可得p在6～15 mm 范围内变化的表面波衰减常数,从图8 中可见随着结构周期的增大,衰减峰向低频移动,上限截止频率减小,同时峰值呈现先增大后减小的趋势。因此可以得出结论:利用结构化设计可使衰减性能产生一定改变,通过合理设计可进一步改善表面波衰减性能,有望利用此方式实现宽频范围的高衰减性能。

图7 两种结构的衰减对比Fig.7 Attenuation comparison of two structures

图8 吸波材料不同周期的衰减对比Fig.8 Attenuation comparison of absorbing materials with different patterns

4 结论

本文通过分析不同厚度和不同电磁参数的吸波材料表面波衰减性能,发现并不是材料厚度越大衰减性能越好,四个电磁参数对表面波衰减都有一定影响;将图案化结构与吸波材料相结合可在不改变厚度的情况下改变表面波衰减性能。本文设计了一种蛇形图案吸波结构,使衰减上限截止频率从4 GHz 拓宽到6 GHz,但峰值减弱。对结构进行优化,将中间磁性介质层挖孔,设计出一种改进型蛇形图案吸波结构,将衰减上限截止频率进一步拓宽到8 GHz,衰减峰值也得到了提高。因此应根据实际需要选择合适的参数,并可通过合理设计结构改善衰减性能,进一步增强表面波衰减性能,从而实现宽频带范围的高衰减性能。