一款具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料

摘 要：簡(jiǎn)單闡述電路模擬吸波材料的吸波原理，提出使用CST電磁仿真軟件，通過(guò)電抗加載的方式對(duì)有源電路模擬吸波材料進(jìn)行分析的方法。設(shè)計(jì)一款具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料，并使用該方法對(duì)其進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明這款吸波材料具有良好的雙頻吸波特性，通過(guò)改變兩個(gè)方環(huán)的加載電阻（即改變PIN管的偏置電流），可改變吸波材料的吸波頻率。

關(guān)鍵詞：吸波源理；電路模擬吸波材料；電抗加載；頻率選擇表面；反射系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)2000703

Active Circuit Analogy Absorber Using Double-square-loop FSS

KOU Songjiang1，XU Jinping2

(1.The 96251 Unit of PLA，Luoyang，471003，China;2.State Key Laboratory of Millimeter Waves，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Abstract：A brief description of the theory of circuit analogy absorbers is presented.A new analysis way is proposed that CA absorbers can be analyzed using CST simulators with the method of reactive loading.A new active CA absorber with array of double square loops is designed，which is studied by the forementioned analysis way.The numeric results show that the absorber has superior performance of absorbing electromagnetic wave at two frequency bands and the reflectivity frequencies of the structure can be controlled when the loading resistances of the array of double square loops vary ，that is，when forward bias currents of PIN diodes vary.

Keywords：absorber principle;CA absorber;reactive loading;FSS;reflection coefficient

目前，武器平臺(tái)上集成的電子裝備越來(lái)越多，通信、控制、偵察等各種信號(hào)在較小的空間多次反射、互相干擾，導(dǎo)致電磁兼容性問(wèn)題日益突出。頻率選擇表面（FSS）可結(jié)合武器裝備的金屬表面構(gòu)成電路模擬吸波材料，當(dāng)這種材料被應(yīng)用武器平臺(tái)表面時(shí)，可較好地改善武器平臺(tái)的電磁環(huán)境。而使用有源FSS則可構(gòu)成電可控的電路模擬吸波材料。

1 電路模擬吸波材料的吸波原理

1.1 吸波材料的吸波原理

當(dāng)電磁波在空氣中傳播遇到媒質(zhì)時(shí)，由于媒質(zhì)的阻抗與自由空間的阻抗不匹配，電磁波在空氣與媒質(zhì)界面發(fā)生反射和透射。當(dāng)透射波進(jìn)入媒質(zhì)內(nèi)部后，可通過(guò)吸收、散射、干涉等多種手段，將電磁波轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，衰耗在媒質(zhì)內(nèi)部，從而使材料表面的電磁波反射大大減小^［1］。因此，吸波體與空氣媒質(zhì)的阻抗是否匹配對(duì)吸波材料的吸波特性具有重要影響。

如圖1所示單層吸波結(jié)構(gòu) ，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，其輸入阻抗為：

Zin=jZsZtan(βd)Zs+jZtan(βd)(1)

其中：Z為電阻層阻抗；Zs為介質(zhì)的特征阻抗；β為電磁波傳輸系數(shù)。相應(yīng)的反射系數(shù)為：

ρ=Zin－Z0Zin+Z0(2)

其中，Z0為自由空間的波阻抗。由式(2)可知，當(dāng)Zin=Z0時(shí)，反射系數(shù)為0，此時(shí)電磁波完全進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，無(wú)電磁波反射，此即阻抗匹配條件^［2］。由式(1)可知，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻層阻抗、介質(zhì)的電磁參數(shù)以及介質(zhì)厚度來(lái)改變輸入阻抗從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，而其中最容易調(diào)節(jié)的是電阻層的阻抗，目前廣泛采用的也是這種阻抗匹配方式^［3］。

圖1吸波材料的吸波原理圖

1.2 電路模擬吸波材料

使用由有耗材料構(gòu)成的FSS結(jié)構(gòu)作為電阻片，可與金屬背板一起構(gòu)成電路模擬吸波材料^［4］，如圖2(a)所示。此時(shí)，電阻片中不僅包含電阻成分，而且還包含電抗成分。FSS的等效電路如圖2(b)所示，它是一個(gè)RLC串聯(lián)等效電路。電阻R是因?yàn)镕SS是有耗材料的原因。

圖2 電路模擬吸波材料的結(jié)構(gòu)及電阻片的等效電路

1.3 有源電路模擬吸波材料

前文所述的吸波材料是無(wú)源結(jié)構(gòu)，其吸波特性不能隨環(huán)境而變。如果吸波結(jié)構(gòu)中的R可電控，則可構(gòu)成電可控的吸波材料。一種方法是在吸波結(jié)構(gòu)中插入可電控的有源FSS，通過(guò)調(diào)整FSS的R參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)吸波材料與自由空間的阻抗匹配，從而達(dá)到控制吸波體吸波特性的目的^［2，5］。向FSS中插入PIN管可構(gòu)成有源FSS，有源FSS中的R分量可通過(guò)對(duì)PIN管饋以小的正偏電流來(lái)獲得^［6］。當(dāng)PIN管的正偏電流在1 mA以下時(shí)，PIN管總電阻約為十幾歐姆至幾百歐姆，且正偏電流越大，電阻值越小。但在高頻條件下，PIN管電阻值會(huì)有所減小。

圖3所示為PIN管BAP50-02的正偏電流與電阻值的關(guān)系。正偏電流與電阻值的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系表明：偏置電流對(duì)FSS的影響可通過(guò)對(duì)FSS進(jìn)行電抗加載來(lái)等效。

圖3 BAP50-02的正偏電流與電阻值的關(guān)系

2 有源電路模擬吸波材料的數(shù)值分析

在對(duì)有源電路模擬吸波材料的數(shù)值分析中，本文使用CST電磁仿真軟件，采用電抗加載的方法進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果可為電路模擬吸波材料的研究提供依據(jù)。

2.1 算例對(duì)比（具有蝶型結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的分析）

A.Tennant和B.Chambers對(duì)有源電路模擬吸波材料進(jìn)行了研究^［2，5］。其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔赟alisbury屏的平板結(jié)構(gòu)，只是使用有源FSS代替Salisbury屏中傳統(tǒng)的電阻層。有源FSS單元采用如圖4所示的蝶型貼片型偶極子，在FSS單元中加入PIN管，通過(guò)調(diào)節(jié)PIN管的偏置電流來(lái)控制FSS中的R分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這款吸波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)在9~13 GHz的頻帶內(nèi)可調(diào)，反射系數(shù)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖4 蝶型貼片型有源FSS結(jié)構(gòu)

本文使用CST電磁仿真軟件，采用電抗加載的方法對(duì)這款吸波材料進(jìn)行分析，反射系數(shù)曲線(xiàn)如圖6所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)R＝130 Ω時(shí)（對(duì)應(yīng)于正偏電流＝0.1 mA），吸波材料的反射系數(shù)最小。隨著R增加時(shí)（對(duì)應(yīng)于電流減小），反射系數(shù)逐漸增大，直至R＝1 000 Ω時(shí)的全反射；當(dāng)R減小時(shí)（對(duì)應(yīng)于電流增加），其反射系數(shù)呈現(xiàn)雙吸波峰特性并逐漸增大，直至R＝20 Ω時(shí)的全反射。經(jīng)與圖5對(duì)比可見(jiàn)：計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致，表明這種分析方法的可行性。

圖5 具有蝶型偶極子結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的反射系數(shù)（文獻(xiàn)記載）

2.2 具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的分析

本文設(shè)計(jì)了一款有源電路模擬吸波材料，它是基于Salisbury屏拓樸的平板結(jié)構(gòu)，如圖7所示。金屬背板和FSS由介質(zhì)1構(gòu)成的隔離層隔開(kāi)，介質(zhì)板1的厚度t1＝4.5 mm，εr1＝1.05，損耗角正切tan δ＝0.001 7。FSS被印刷在介質(zhì)板2上，介質(zhì)2的介電常數(shù)εr2＝2.25，t2＝0.1 mm，它被“倒扣”在介質(zhì)1上。外側(cè)介質(zhì)的作用一是固定、保護(hù)FSS，二是方便內(nèi)方環(huán)有源器件的饋電。

圖6 具有蝶型偶極子結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的反射系數(shù)（本文計(jì)算）

圖7 基于Salisbury屏拓?fù)涞膯螌与娐纺M吸波材料的結(jié)構(gòu)

FSS單元采用雙方環(huán)貼片型單元，如圖8所示，其中l(wèi)1＝9 mm，l2＝4 mm，貼片寬度為1 mm，Dx＝Dy＝10 mm，使用平面波激勵(lì)，電場(chǎng)沿Y方向。在FSS單元中加入PIN管，加載方式如圖8中所示。雙方環(huán)FSS是一種典型的雙諧振結(jié)構(gòu)，具有一高一低2個(gè)諧振頻率，因此，由雙方環(huán)FSS構(gòu)成的吸波結(jié)構(gòu)將有2個(gè)吸波頻率。本文使用CST電磁仿真軟件，采用阻抗加載的方法對(duì)這款吸波結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：當(dāng)使用不同電阻加載（即改變PIN管的偏置電流）時(shí)，該結(jié)構(gòu)的吸波頻率隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)吸波頻率可控的目的。

圖8 圓環(huán)貼片型有源FSS的結(jié)構(gòu)

在對(duì)兩個(gè)方環(huán)使用相同的電阻加載時(shí)，小方環(huán)的吸波頻率（反射系數(shù)在-20 dB以下）可在5.5~8 GHz變化。大方環(huán)的吸波頻率可在17.6~20.9 GHz變化。偏置電流過(guò)大（R=20 Ω）或過(guò)小（R=1 500 Ω）時(shí)，該結(jié)構(gòu)不再具有吸波特性。反射系數(shù)曲線(xiàn)如圖9所示。

小方環(huán)的加載電阻不變（R=200 Ω），大方環(huán)的加載電阻改變，則對(duì)應(yīng)于小方環(huán)的吸波頻率在20 GHz處基本不變，對(duì)應(yīng)于大方環(huán)的吸波頻率可在5.56~9.04 GHz頻段改變。反射系數(shù)曲線(xiàn)如圖10所示。

圖9 具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的反射系數(shù)

圖10具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的反射系數(shù)（大環(huán)電阻改變）

大方環(huán)的加載電阻不變（R=150 Ω），小方環(huán)的加載電阻改變。則對(duì)應(yīng)于大方環(huán)的吸波頻率在6.07 GHz處基本不變，對(duì)應(yīng)于小方環(huán)的吸波頻率可在16.17~20.17 GHz頻段變化。反射系數(shù)曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料的反射系數(shù)（小環(huán)電阻改變）

從以上分析可看出，適當(dāng)改變兩個(gè)方環(huán)的加載電阻（即改變PIN管的偏置電流），可改變吸波材料的吸波特性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先簡(jiǎn)單分析電路模擬吸波材料的吸波原理，然后，提出使用電磁仿真軟件，通過(guò)電抗加載的方式對(duì)有源電路模擬吸波材料進(jìn)行分析的方法。算例對(duì)比表明這種分析方法是可行的，其結(jié)果可為電路模擬吸波材料的研究提供依據(jù)。最后，設(shè)計(jì)了一款有源電路模擬吸波材料并對(duì)其進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明這種吸波材料具有良好的多頻吸波特性，并且適當(dāng)改變兩個(gè)方環(huán)的加載電阻（即改變PIN管的偏置電流）時(shí)，可改變吸波材料的吸波頻率。

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作者簡(jiǎn)介 寇松江 男，1968年出生，工程師。1991年畢業(yè)于解放軍理工大學(xué)微波通信工程專(zhuān)業(yè)，2007年畢業(yè)于東南大學(xué)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士。現(xiàn)從事電磁輻射與散射方面的研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文