S頻段領(lǐng)結(jié)型貼片吸波層的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

湯 煒 武菲菲 劉禹杰

S頻段領(lǐng)結(jié)型貼片吸波層的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

湯 煒 武菲菲 劉禹杰

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門361021）

研究設(shè)計(jì)了一種S頻段寬帶領(lǐng)結(jié)型貼片結(jié)構(gòu)的微波吸波層.從Floquet定理可得，電磁波照射到周期結(jié)構(gòu)時(shí)其反射及透射波可分解為一系列Floquet模，周期結(jié)構(gòu)尺寸的減小會(huì)使得高階模成為衰減波并抑制其反射，這一現(xiàn)象有利于吸波層的設(shè)計(jì).但由于減小單元尺寸限制了單元內(nèi)部貼片的尺寸，不利于周期單元在較低頻段諧振.基于天線理論，選擇領(lǐng)結(jié)型結(jié)構(gòu)作為周期單元貼片，設(shè)計(jì)出了一種寬帶超薄型微波吸波層.通過仿真和樣品測試，該吸波層的10dB吸波率帶寬覆蓋整個(gè)S頻段并達(dá)到90%，而其厚度小于頻段中心頻點(diǎn)自由空間波長的1／7.

Floquet定律；周期結(jié)構(gòu)；吸波層；領(lǐng)結(jié)型貼片

引 言

雷達(dá)吸波材料一直是世界各國研究的熱點(diǎn)，在軍用方面，通過減小軍事單元的雷達(dá)散射截面可減小對方雷達(dá)的偵測范圍（距離），增加己方進(jìn)攻的突然性，減小軍事單元被發(fā)現(xiàn)被消滅的概率.民用方面則可以減小天線陣單元的耦合，增加天線單元的穩(wěn)定性和可靠性［1－2］.一般而言，好的雷達(dá)吸波材料要求頻帶寬、剖面薄、機(jī)械強(qiáng)度高、吸波效率好.為此國際學(xué)者展開了大量的相關(guān)工作，根據(jù)各自需求設(shè)計(jì)出各種形式的吸波層.Enghetan于2002年首次提出用人工超材料（Metamaterial）設(shè)計(jì)超薄寬帶吸收材料的思想［3］，并得到了廣泛的關(guān)注［4－5］，新加坡南洋理工大學(xué)沈忠祥教授［6－8］領(lǐng)導(dǎo)的小組研制了頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）及其衍生結(jié)構(gòu)的吸波層設(shè)計(jì)，10dB帶寬大致在80%左右.這類結(jié)構(gòu)基于印刷電路板，結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)、加工制作容易，相比于早期的Salisbury和Janmann吸波層，這類結(jié)構(gòu)具有更寬的帶寬和更薄的剖面.2008年，Landy等提出了一種基于周期性諧振單元的“完美吸波體”［9］，峰值處吸收率幾乎達(dá)到100%，引起了研究人員的極大興趣，隨后多種吸波體被提出［10－12］，大多由具有一定圖案的金屬薄膜與介質(zhì)基片形成電磁諧振器構(gòu)成，具有厚度薄、吸收能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是通常吸收頻帶較窄.其原因在于，呈現(xiàn)諧振特性的周期單元一般Q值較高，對頻率變化比較敏感.

本文從Floquet定律［1］出發(fā)，對周期單元大小從理論上定性分析，認(rèn)為減小單元尺寸可以將高階模轉(zhuǎn)換為倏逝波模式，抑制高階模空間傳播，使其能量無法被周期結(jié)構(gòu)反射；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多諧振結(jié)構(gòu)的高阻表面［10］、結(jié)合集總器件（貼片電阻），利用軟件優(yōu)化完成單元各參數(shù)的設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了單元的等效電路模型.最后進(jìn)行樣品制作及測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的可行性.該結(jié)構(gòu)具有剖面低，頻帶寬及吸波性能優(yōu)良的特點(diǎn).

1 周期結(jié)構(gòu)單元尺寸理論分析

根據(jù)Floquet定律，當(dāng)電磁波照射到周期結(jié)構(gòu)時(shí)，其反射波和透射波都會(huì)分解成一系列的Floquet模，假設(shè)入射波的傳播矢量為

周期結(jié)構(gòu)位于z＝0平面，則其反射波的波矢量分量可以描述為：

式中：Dx和Dy分別是周期單元的尺寸；（nx，ny）為對應(yīng)的Floquet模參數(shù).

分析式（2）和（3）可知，周期結(jié)構(gòu)的幾何尺寸減小時(shí)，隨著Floquet模參數(shù)的增加，反射波波數(shù)k′x、k′y將隨之增加，即有可能導(dǎo)致式（4）中根號內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)值，使得反射波的高階模在z方向的傳播成為消逝波.當(dāng)周期尺寸（Dx，Dy）足夠小時(shí)，反射波模式中僅（0，0）模即主模能夠沿z方向傳播，而其他模式均成為周期結(jié)構(gòu)表面消逝波，從而可利用結(jié)構(gòu)減少部分反射波能量.因而選擇較小的周期單元尺寸可提高吸波層的吸收效率.

2 寬帶吸波層設(shè)計(jì)方法

從上述分析可知，設(shè)計(jì)過程中限制周期單元尺寸的大小，有利于制作優(yōu)良的微波吸波屏.即使這樣，仍面臨以下幾個(gè)方面的考慮：

1）貼片形狀的設(shè)計(jì)和選擇.周期尺寸的減小導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度增加，理由是：吸波屏的設(shè)計(jì)必須保證貼片表面形成高阻表面，而高阻特性的建立要求單元內(nèi)部出現(xiàn)與特定頻率諧振的金屬貼片.周期單元尺寸的限制導(dǎo)致無法保證金屬貼片長度，設(shè)計(jì)過程中必然面臨類似天線小型化的問題.在此，采用一種較為簡單的克服長度不足的方法，即采用傳統(tǒng)天線的去頂方法，該方法在天線工程中又稱為容性加載，如圖1和圖2所示.

圖1 原始貼片

圖2 容性加載貼片

2）寬頻帶貼片特性.從圖2可以看出，通過容性加載，可以讓電流沿著貼片的水平兩臂流過，從而增加了貼片上感應(yīng)電流的行進(jìn)路徑，可有效降低其諧振頻率.當(dāng)考慮寬頻帶設(shè)計(jì)時(shí)，為保證不同波長的電磁波與單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧振，故需設(shè)計(jì)對應(yīng)波長的電流流經(jīng)路徑.采用寬頻帶天線［13－14］設(shè)計(jì)思路，將Bowtie型貼片設(shè)計(jì)引入設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.由于Bowtie錐形結(jié)構(gòu)，貼片中心點(diǎn)到橫向貼片終端，可提供不同長度的電流路徑，保證不同波長電磁波的諧振，從而保證了結(jié)構(gòu)的寬頻帶諧振特性.

3）多諧振單元設(shè)計(jì).思路2）的目的是在某個(gè)諧振頻點(diǎn)處拓寬帶寬，這對于設(shè)計(jì)超寬帶吸波屏尚顯不足.為進(jìn)一步展寬帶寬，采用多諧振特性的頻率選擇表面.其設(shè)計(jì)思路借鑒了分形天線和分形頻率選擇表面的思路，在一個(gè)周期單元內(nèi)設(shè)置不同大小但形狀相似的貼片結(jié)構(gòu)，由于不同的貼片長度對應(yīng)不同諧振頻率，按照這一理論，圖4所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有2個(gè)諧振頻率.

圖3 領(lǐng)結(jié)型貼片

圖4 多諧振領(lǐng)結(jié)型貼片

4）吸波材料的選擇.電磁波照射頻率選擇表面或者高阻表面，由于這些結(jié)構(gòu)的構(gòu)成為金屬貼片、介質(zhì)基片等，不含有損耗器件.電磁波照射至該結(jié)構(gòu)時(shí)，其反射系數(shù)的大小必定為1.而吸波屏的設(shè)計(jì)是盡可能減小反射系數(shù)，因而在設(shè)計(jì)過程中必須使用電阻器或者阻抗涂層.考慮到阻抗涂層的加工難，成本及機(jī)械性能，采用集總器件即電阻器來替代Salisbury和Jaumann吸波層中出現(xiàn)的阻抗涂層.即將完整的領(lǐng)結(jié)的中間洗出1mm大小的缺口，并通過電阻進(jìn)行連接.利用這一電阻來吸收流經(jīng)貼片上的電流及其附帶電磁能量，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.圖5中左邊大貼片記為1，右邊小貼片記為2.為后續(xù)描述的方便及圖形的可讀性，在圖中僅僅對貼片1的尺寸變量進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)注，貼片2的尺寸變量僅僅是將貼片1的下標(biāo)中1改為2即可，后文不再贅述.

3 模型等效電路及其分析

以下將利用等效電路對上述模型進(jìn)行定性理論分析.設(shè)電磁波垂直入射到吸波結(jié)構(gòu)，電場極化方向?yàn)閤，磁場極化方向?yàn)椋瓂.利用金屬貼片表面的邊界條件，可以判斷金屬貼片上的電流方向?yàn)閤，電流從貼片的一端經(jīng)電阻流至另外一端.通過以上分析，可以將上述吸波機(jī)理轉(zhuǎn)換為圖6中的等效電路.

圖5 以電阻相連的多諧振領(lǐng)結(jié)型貼片

圖6 領(lǐng)結(jié)型吸波屏等效電路

基片部分、貼片1、貼片2和自由空間的對應(yīng)部分如圖6所示，其中貼片部分的電感效應(yīng)改換為可變電感是考慮到領(lǐng)結(jié)型貼片的寬帶作用.由于貼片1與貼片2間距較小，當(dāng)受到電磁波照射時(shí)，貼片上感應(yīng)出的電流存在一定的干擾（耦合）效應(yīng)，其作用可通過耦合電容Cp體現(xiàn).如介質(zhì)基片表面為高阻表面，即Yin2→0，根據(jù)上述電路圖，可得出相應(yīng)的反射系數(shù)計(jì)算表達(dá)式：

式中：

當(dāng)諧振角頻率電磁波入射時(shí)，其對應(yīng)的貼片呈現(xiàn)純電導(dǎo)特性，這樣可以有效減少輸入導(dǎo)納的虛部，從而可能使得反射系數(shù)降低到某一數(shù)值.由于該結(jié)構(gòu)存在兩個(gè)諧振頻率，對結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整并使得諧振頻率之間的頻段的反射系數(shù)曲線降低到滿足的閾值，則可設(shè)計(jì)出較寬頻帶的吸波層.

4 設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證及樣品實(shí)驗(yàn)

在初始原理模型設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上，本文利用HFSS軟件對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化.采用Taconic公司介質(zhì)基片，其介電常數(shù)為3.2，基片厚度h＝12.7mm，優(yōu)化后的各參數(shù)為：

隨后制作的樣品大小為5×6的周期單元，長寬分別為225mm和126mm，如圖7所示.

圖7 樣品實(shí)物照片

在隨后的實(shí)驗(yàn)中，對225mm×126mm的銅板與樣品進(jìn)行雷達(dá)散射截面積（Radar Cross－Section，RCS）測試，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到兩者的單站RCS測量結(jié)果，如圖8所示.

圖8 樣品及等面積銅板單站RCS測量結(jié)果

利用圖8測量結(jié)果，可得到吸波層的吸收率，將其與理論仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示.

由圖9可以看到：本文所設(shè)計(jì)的微波吸波層10 dB吸收帶寬從1.71GHz到4.48GHz，覆蓋整個(gè)S波段，中心頻點(diǎn)為3.1GHz，相對帶寬為90%；介質(zhì)基片厚度為12.7mm，小于中心頻點(diǎn)自由空間波長1／7，證實(shí)了本文提出吸波層的合理性及優(yōu)越性.同時(shí)可注意到，測量結(jié)果與理論結(jié)果相比，兩者的諧振點(diǎn)及諧振峰值有一定的偏差，這是由于被測樣品尺寸為有限大小目標(biāo)，樣品邊緣存在一定感應(yīng)電流，其輻射場對測試結(jié)果造成影響所致.

圖9 RCS縮減對比結(jié)果

5 結(jié) 論

本文從Floquet定理出發(fā)，得出周期單元尺寸減小有利于設(shè)計(jì)吸波層的結(jié)論，并將寬帶天線設(shè)計(jì)方法引入到吸波層設(shè)計(jì)，完成了領(lǐng)結(jié)型寬帶多諧振高阻表面的設(shè)計(jì)，并以此為基礎(chǔ)研制了S頻段寬帶超薄型微波吸波層.仿真和測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)10dB吸收帶寬從1.71GHz至4.48GHz，相對帶寬達(dá)到90%，而其厚度僅只有中心頻點(diǎn)對應(yīng)波長的1／7，驗(yàn)證了本文所提出方法的正確性和合理性.

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Design and experimental research of the S－band absorber screen based on the bow－tie patch

TANG Wei WU Feifei LIU Yujie
（School of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen Fujian 361021，China）

This paper presents a novel wideband absorber screen in S－Band based on the bow－tie patch periodical array.From the Floquent’s theorem，the reflection and transmission wave is composed of a series of Floquet mode as the electromagnetic wave incident upon a periodical structure.The higher Floquet mode will be evanescent wave with the decreasing of the unit cell size，which is benefit for the absorber designing.However，the decrement of the size limits the length the patch in the unit cell，and it could not resonant at a lower frequency.This paper adopts a bow－tie structure in the antenna theory and design a wideband and thin absorber screen.The geometric sizes of the cell are determinate after the optimization by HFSS software.The measurement results exhibit this screen has a wideband covering S－band and over 90%for 10dB absorption and its depth is about 1／7wavelength of centre frequency in free space.

Floquet theorem；periodical array；absorber screen；bow－tie patch

TN01

A

1005－0388（2015）02－0323－05

湯 煒（1974－），男，湖北人，華僑大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)槲ú牧?、天線理論與工程等.

武菲菲（1990－），女，江蘇人，博士研究生，研究方向?yàn)槲ú牧?、高性天線設(shè)計(jì)等.

劉禹杰（1989－），男，廣西人，華僑大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)槌牧辖Y(jié)構(gòu)、陣列天線等.

湯 煒，武菲菲，劉禹杰.S頻段領(lǐng)結(jié)型貼片吸波層的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（2）：323－327.

10.13443／j.cjors.2014042302

TANG Wei，WU Feifei，LIU Yujie.Design and experimental research of the S－band absorber screen based on the bow－tie patch［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：323－327.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014042302

2014－04－23

福建省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：2011j01351）；中央高校財(cái)政扶持項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：2011ZD01G01）；華僑大學(xué)基金（批準(zhǔn)號：08BS411）

聯(lián)系人：湯煒E－mail：tangwei74＠hqu.edu.cn