具有吸波特性的毫米波频率选择表面设计

吴启迪，李 雪，尹昱晴，王静涵，何 姗，徐 娟

（曲阜师范大学，山东 曲阜 273165）

0 引 言

雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）是衡量目标对入射电磁波散射能力的一个重要物理量，是雷达探测、目标识别、隐身与反隐身研究的重要基础[1]。雷达隐身技术的主要目的就是降低目标的雷达散射截面[2]。如今，RCS已成为评价作战时反侦察实力的主要指标，低RCS的装备能大幅度提升地面目标的作战与生存功能。对于在天线上加载的吸波结构，首要的是确保对天线的性能影响较小，或是不产生恶劣影响。现阶段，对于雷达散射截面的缩减方法大致可以分为两种，一种是利用隐身涂层来进行RCS的缩减，但这种方法极有可能会影响飞行器的气动布局，而且隐身涂层也较为昂贵，花费巨大；另一种是设计吸波结构，普遍采用频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）来实现RCS缩减的功能。

FSS可以把电磁波反射到敌方探测不到的非危险区域，以此来减小雷达的散射截面，从而达到隐形的目的[3]。但是针对FSS天线罩的反隐身技术也高速发展，目标在敌方探测下的非危险区域逐渐缩小，单纯的FSS也就无法达到现在所需的隐身条件[4]。在未来战场上，这一缺陷必将被无限放大，因此人们针对这一缺点进行了广泛研究。人工电磁超表面被提出用于RCS的缩减，然而必须通过特定的排列才能使单元之间的相位达到180°的相位差，从而实现缩减RCS的功能。而吸波、透波一体化的FSS无需进行特定的排列，仅凭单元就能实现RCS的缩减。由于其既能在特定频率接收或传输信号，又能够在一定的频段吸收任何方向的来波，因此能够在保证工作频率透波的情况下达到带外吸波的效果[5]。二维频选吸波体（Frequency Selective Rasorber，FSR）经过特定的结构设计能产生更大的吸波带宽，比涂覆式表面吸波材料性能更为优良，而且还能够通过设定频率选择性表面的构造与参数灵活地设定为不同的吸收波段，因此可以被广泛应用在电磁波吸附的不同场合。

本文提出一种工作在毫米波波段、双侧吸波、中间透波的二维双环形FSR，通过在贴片金属表面加载适当参数的电阻元件完成对特定频率电磁波的吸收，并在工作频率内完成吸收、辐射以及吸收的频率划分。

1 频率选择表面吸波体基本理论

1.1 FSR简介

FSR结构是由FSS和电路模拟吸波体（Circuit Analog Absorber，CAA）基于结构设计的吸波体，在通带和吸收带范围内可以实现阻抗匹配，通过选取适当的集总元件参数值以及空气填充厚度，最终达到理想的结构特性[6]。FSR可以分为无通带吸波体和有通带吸波体两大类，其中无通带吸波体通常包括窄带吸波体和宽频吸波体，而有通带吸波体则通常包括单侧吸波体和双侧吸波体[7]。从结构维度上划分，FSR也可分为两类。第一类是二维FSR，其优点在于结构简单、易于制造且成本较低，但稳定性较差；第二类是稳定性好、频率选择性高，但制造难度大、成本高的三维FSR。三维FSR结构加工并不简单，而且测量误差也较大，应用并不广泛。二维FSR却因为其构造更加简化、设计更加灵活多样等优势被普遍使用。

1.2 FSR结构模型与等效电路分析

二维FSR通常由顶部电阻层、中间介质基板以及底部带通FSS构成，其结构模型如图1所示。其中，最顶部电阻层主要担负电磁波的吸收任务，常由金属结构和高耗器件所组成。底部则主要用来透射电磁波，同时为电阻层提供反射带，一般采用带通特性的频率选择表面。电阻层与频率选择表面层都印刷在高频工作介质板上，且两层之间透过空气相隔，其间距约为实际工作波长的1/4[8]。二维FSR的吸波原理是入射电磁波在有损表面的反射波与通过介质层入射到金属地板后形成的反射波之间的传播路径存在1/2波长差，二者相互作用可产生抵消效果，使入射电磁波反射率较低[9]。

图1 FSR模型

图2为二维FSR模式的等效电路结构，其中Z1和Z2分别是吸波层与频率选择表面层的特征电阻，而Z0则是自由空间的波阻抗，Zh是介质板与两板间间隙的混杂阻抗。

图2 FSR等效电路

可由传输线理论得出FSR等效电路的矩阵结构为：

老年冠心病非心脏手术应激会在一定程度上损伤患者心肌，影响患者康复。有研究证实，不同麻醉方式及药物可影响患者术中血流动力学的稳定性，显著降低患者术中心肌细胞的缺血缺氧损伤[5]。右美托咪定是高选择性α2肾上腺素能受体激动药,激活中枢蓝斑突触，通过负反馈抑制交感神经系统的活性，降低中枢和外周去甲肾上腺素的释放，减慢心率，同时降低心脏负荷与心肌耗氧，从而改善心肌的氧供需平衡[6]。七氟醚是常用的吸入性麻醉药，具有扩张外周血管、减轻心脏后负荷、改善心肌顺应性的作用，能减轻围术期心肌细胞的缺血缺氧性损伤[7]。

式中：θ=2π/h；h为两个介质板的间隙厚度；Zr为吸收层特性阻抗；ZF为FSS层特性阻抗。由式（1）中的A、B、C、D得反射系数|S11|和传输系数|S21|分别为：

当FSR在通带工作时，其反射系数|S11|为0，传输系数|S21|为1。当FSR工作于吸波带时，在理想情形下要求反射系数|S11|为0，传输系数|S21|也为0，即要求吸波率A为A=1-|S11|2-|S21|2=1，达到优秀的吸波效果。

2 设计实例

2.1 FSR模型设计

基于上述的基本理论，提出了一款二维双侧FSR，其三维结构如图3（a）所示。该结构由两部分组成，分别为顶部损耗性的吸波层和底部非损耗性的透波层，上、下两层具体结构分别如图3（b）和图3（c）所示。透波层为方环缝隙型结构，组成具有带通特性的频率选择表面，在中心频率附近实现透波，产生一个通带，而在带外的区域实现反射特性。顶层由内外两个分别加载不同集总电阻的环型金属贴片组成（标注为数字的部分是加载的集总电阻），通过加载集总电阻的环形金属贴片产生两个吸收带，对带外的信号进行吸收。外侧圆形环在中心频率左侧形成一个低频吸收带，对低频信号进行吸收，而内侧齿轮形环在中心频率右侧形成一个高频吸收带，对高频信号进行吸收。集总电阻用lump RLC边界条件模拟，能够最大程度模拟出加载集总电阻时单元结构所表现出的电磁特性。边界条件的具体参数见表1，两层结构的金属结构材质都是铜，介质基板采用相对介电常数εr=3.0，损耗角正切为0.001 3的Rogers RO3003，介质基板的厚度t=0.127 mm。两层结构之间被空气填充，其他具体相关参数见表2。

表1 lump RLC边界参数

表2 双环形FSR的结构参数

图3 双环形FSR结构

该FSR吸波体的等效电路如图4所示。位于底层的缝隙型频率选择表面作为透射层以实现对入射波选择性的通过，缝隙部分可以等效为电容C3，缝隙外侧的金属贴片部分可以等效为电感L3，由于频率选择表面中心部分金属贴片等效的电感十分微弱，在分析时可忽略，因此底层缝隙型频率选择表面等效为电容C3和电感L3的并联。顶层的吸波层由2个加载集总电阻的贴片金属环组成，R1、R2分别为外金属环和内金属环上加载的电阻，C1为2个金属环之间缝隙等效而成的等效电容，L1为外金属环等效成的等效电感，L2为内金属环等效成的等效电感。Z0则是自由空间的波阻抗，Zh是介质板与两板间间隙的混杂阻抗。

图4 双环形FSR的等效电路结构

2.2 仿真分析

为分析该双环型FSR单元结构的特性，用全波仿真软件HFSS对所设计的FSR单元结构进行仿真模拟。在将电磁波垂直入射时，该FSR单元结构中S参数的仿真结果如图5所示，通带中心频率为39.8 GHz。在39.8 GHz处，透射系数的值为-0.27 dB，即在此频率下的插入损耗仅为0.27 dB。将透射系数大于-2 dB部分定义为阻带，则阻带为36.6～42.3 GHz。反射系数和透射系数均小于-10 dB的频段为29.3～31.4 GHz和47～50.6 GHz，在该吸波频段内存在两个谐振点，分别位于 30.4 GHz和 48.7 GHz。

图5 双环形FSR的S参数

针对谐振频点30.4 GHz、48.7 GHz处以及非吸波频点39.8 GHz处在TE模式下的电流分布，对吸波原理进行进一步的分析，如图6所示。可以看出，当谐振频率为30.4 GHz时，电流较多地分布在外部的金属圆环、内部的齿轮形金属圆环以及加载在两金属圆环的集总电阻上。由此可见，几个部分共同作用增加了有效电长度，使得谐振频率向低频移动，并在30.4 GHz附近形成了低频吸波带。当谐振频率为48.7 GHz时，电流仅分布在内部的齿轮形金属圆环及内部加载的集总电阻上，单元结构的有效电长度大大减小，因此频率向高频方向移动，在48.7 GHz处产生了谐振点，并在此谐振频率附近形成了高频吸波带。在30.4 GHz和48.7 GHz处，表面电流在集总电阻上分布较强，故电阻可以消耗更多能量，在通带的两侧形成两个吸波带；而在39.8 GHz处，电阻上分布的电流较弱，因此也就无法实现吸波特性。

图6 双环形FSR表面电流分布

吸波体的性能优劣一般使用吸收率A进行评估，定义反射率R为|S11|2，透射率T为|S21|2，则吸收率为A=1-R-T=1-|S11|2-|S21|2。同时，考虑到实际应用的需要，电磁波并不是仅从垂直方向入射，因此也要考虑到不同角度入射的FSR吸收性能的变化，因而角度稳定性也是衡量吸波性能的重要指标，性能良好的吸波体能在入射角度变化时依然保持吸波性能的稳定。图7（a）和图7（b）分别显示了双环形FSR在TE和TM极化模式下，入射角度从0°增加到40°时的吸收率A和透射率T的变化曲线。

图7 双环形FSR在不同极化模式下不同角度电磁波入射时的吸收率

从图7可发现，极化方式和入射角度发生变化时，通带的透射率T几乎没有改变，因此该FSR单元结构对于极化方式和入射角度不敏感。通带在TM极化模式下比较平稳，在TE极化模式下，通带的透射率T略有降低，但均维持在0.9以上，最高处达到了0.97。TE极化时，随着入射角逐渐变大，单元结构的工作频率逐渐向较高频率处偏移，单元结构工作频率的透射率T随着入射角度的增加稍有降低，通带带宽略微减小，但总体性能依然保持不变，吸收率与TM极化模式下大致相同，均维持在0.9以上，最高处达到了0.95。

由图7（a）可以看出，当入射角度逐渐由0°增加至40°，通带中心频点逐步向高频移动，由39.8 GHz变为40.2 GHz，而通带频段由36.6～42.3 GHz变为37.4～42.3 GHz，带宽略微降低；位于通带左侧的吸收带，其吸波率A达到0.8以上，吸波频段从29～31.6 GHz变为28.5～31.5 GHz；位于通带右侧的吸收带，其吸波率A达到0.8以上，吸波频段从46.7～51 GHz变为45.7～51.6 GHz，两吸收带的吸收带宽略微扩宽。随着入射角度的增加，两侧吸收带中吸波率A最高的谐振频点逐渐向低频方向偏移，吸波带宽不断增大，且均能达到0.9以上，吸波性能良好，所设计结构角度稳定性较强。TM极化时，随着入射波入射角度的不断增大，通带中心频率逐渐降低，单元结构工作频率处的透射率T逐渐变大。当入射角度逐渐由0°增加至40°时，两侧吸收带中吸收率A最高的频点逐渐降低，吸波带宽不断减小；左侧吸波带的吸波率A达到0.8以上的吸波频段从28.9～31.5 GHz变为28.9～30.5 GHz；右侧吸波带的吸波率A达到0.8以上的吸波频段从46.8～50.7 GHz变为46.4～49.1 GHz。且当入射角度为40°时，在高频段会出现吸波率突降，导致吸波带宽下降较多。表3总结了双环形FSR结构在不同极化、不同角度入射电磁波照射下的传输、吸波性能变化。

表3 双环形FSR在不同极化方式与入射角度下的吸波性能

3 结 论

本文提出了一种二维双侧FSR，其中心频率为39.8 GHz，最低插入损耗仅为0.27 dB，通带频率为36.6～42.3 GHz，相对带宽为14.3%，整体单元结构由底层带通型频率选择表面与顶层嵌套式吸波结构构成。该FSR的底层是一个方形缝隙FSS，用来在中心频率形成通带，同时反射带外信号。顶层利用两个加载集总电阻的环形金属贴片形成了频带范围在29～31.6 GHz和46.7～51 GHz的吸收率大于80%的双吸收带，吸收带中入射波的能量被加载至金属圆形贴片中的集总电阻所耗散。由于其具有轴对称和中心对称结构，FSR表现出良好的角度稳定性，在0～40°的入射角度下性能稳定，对入射角度和极化方式不敏感，具有良好的应用价值和市场价值。