薄型寬頻帶復合吸波結構設計

房新蕊 張文武 張清 房亮 張東亮

（中國航空工業集團公司濟南特種結構研究所，高性能電磁窗航空科技重點實驗室 山東省濟南市 250023）

隨著多層次、全方位、寬譜帶的立體電磁探測技術的發展，基于傳統電磁吸波材料和外形設計的電磁波隱身技術已經難以應對將來對武器裝備的全方位隱身性能的需求，超寬帶雷達、米波雷達的發展對雷達吸波材料也提出了低頻、寬帶等要求。

電磁帶隙結構(Electromagnetic Band-gap, EBG)是一種具有頻率帶隙的新型周期電磁結構，因其同時具有表面波帶隙特性和平面波同相反射特性，已經在微波領域得到廣泛的研究與應用[1-4]。

傳統吸波材料通常基于 Salisbury 屏原理設計，將損耗層放置在距離金屬表面 1/4 波長處，有效地吸收入射電磁波[5-8]。如果底板為理想磁導體（Perfect magnetic conductor, PMC），就不再有 1/4 波長厚度的限制，損耗層可以放在離底板很近的位置，實現超薄吸波結構。基于此，本文設計了電阻膜-EBG 復合吸波結構，并采用有限元算法分別對這種結構的吸波特性進行了數值仿真分析。

1 吸波材料衰減機理

入射電磁波從自由空間照射在材料上，依據Maxwell 方程及邊界條件可知，當電磁波垂直入射時，材料界面的復反射系數為：

圖1：復合吸波結構仿真示意圖

由此可見，要獲得性能優良的吸波材料，必須綜合考慮阻抗匹配和衰減匹配2 種因素，尤其是材料的介電常數、磁導率和厚度參數等。

2 數值仿真分析

將集總電阻加載型EBG 吸波結構與電阻膜進行組合匹配，設計了如圖1 所示的復合吸波結構。該復合吸波結構包括基于電阻膜的面層結構和介質層、基于EBG 結構的超薄介質層及其金屬襯底。

如圖2 和圖3 所示，對該結構中的電阻膜和EBG 單元參數進行優化設計，幾何參數為p=7.3mm，a1=0.81mm，方阻R1=500～800Ω/□；a2=1.72m，方阻R2=340～600Ω/□；a3=3.55mm，方 阻R3=150～300Ω/ □，h1=3.4mm，h2=2.5mm，h3=2.4mm，L=7.3mm；d1=1.23mm，g1=4.02mm；d2=3.46mm，g2=1.26mm，t1=3.45mm，t2=2.55mm。其中，金屬材料為厚度0.018mm、電導率為5.8×107S/m 的銅；中間層為介電常數為2.2、損耗角正切為0.05的介質板。

仿真結果如圖4 和圖5 所示，復合吸波結構在1GHz -4GHz 平均反射率為-8.8dB，在4GHz -16GHz 平均反射率為-11.3dB，且該結構具有較好的角度和極化穩定性。

3 結論

基于多層電阻膜與EBG 設計了一種電阻膜-EBG 的復合吸波結構，通過有限元算法分別對其吸波特性進行了數值仿真。仿真結果表明：該復合吸波結構，厚度為14.3mm，在1GHz-4GHz 平均反射率為-8.8dB，4GHz-16GHz 平均反射率為-11.3dB，且寬頻范圍內具有較好的角域特性。

通過復合結構的匹配設計，可以實現較寬頻帶范圍的阻抗匹配，在兼顧極化無關、寬入射角和寬頻帶的前提下，實現了厚度較薄且強損耗的吸收特性。

圖2：電阻膜單元尺寸結構圖

圖3：EBG 單元尺寸示意圖

圖4：S11 仿真曲線（垂直極化）

圖5：S11 仿真曲線（水平極化）