一種基于有源頻率選擇表面的可調吸波體特性分析

曾憲亮，張麟兮，萬國賓

西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710072

0 引 言

隨著新型雷達探測設備以及反艦導彈技術的不斷發展，水面艦船的防空和生存能力將面臨更大的挑戰。電磁隱身技術的應用可有效降低艦船的信號特征，實現隱身效果，進而提升艦船的戰場生存力和綜合效能。因此，對電磁隱身技術的深入研究在現代軍事發展中具有十分重要的意義和價值[1-2]。

基于頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)的吸波體可在寬頻帶內將入射電磁波有效吸收，從而大幅度減小目標結構的反射特性[3-6]。近幾年來，國內外有學者針對此問題開展了研究。例如，惠憶聰等[5]設計了一種由電阻型FSS和磁性材料結合的新型吸波體模型，通過仿真研究發現，引入集總電阻元件可進一步拓展吸波帶寬，在8～15 GHz頻段內實現良好的吸波性能。Zabri等[7]提出了一種六邊形環狀單元的電阻膜型FSS吸波體，通過嵌套4個不同大小的六方環構成組合單元，實現了7.8～24 GHz寬頻帶內的吸波效應。Ghosh等[8]設計了一種被稱為電路模擬吸波體的寬帶雷達吸波結構，該結構主要由上層加載有集總電阻元件的雙方環和底層同樣加載有電阻的單方環組成，進而利用各層在不同頻段的諧振效應實現寬頻帶吸波效果，其最終反射率低于-10 dB的相對帶寬可達到114.4%，可工作于C，X和Ku波段。

然而，上述研究中無論是集總元件還是電阻膜加載構成的FSS吸波體，在設計完成后其工作頻帶、吸波性能等參數都將固定不變，難以較好地應用于多變的復雜電磁環境中。因此，研究人員將有源器件加載到FSS吸波體中，逐漸形成了一類新的吸波結構——有源頻率選擇表面(active frequency selective surface, AFSS)吸波體，這種結構通過改變外界施加的激勵，能夠實現對吸波性能的動態調控[9-11]。目前，在AFSS吸波體的諸多研究方法中，主要采用全波仿真分析、等效電路理論等方法，尚缺乏對電磁波在多層結構內部傳播時的理想吸波效果與電磁波幅度相位間關系的研究。

本文擬提出一種基于PIN二極管加載的AFSS吸波體，當改變提供給二極管的正偏電流時，吸波體的反射系數隨之改變。為此，將采用多反射干涉理論驗證電磁波在該吸波體中傳播時，在理想吸波情況下電磁波的幅度和相位條件，并將原理樣件置于微波暗室內展開測試分析，以得到AFSS吸波體在增加PIN二極管后的反射率特性。

1 單元模型與仿真結果

1.1 結構模型

本文所提AFSS吸波體的單元結構如圖1所示。該單元的上層為含有PIN二極管的AFSS結構，主要由2個反向的錨型金屬圖案構成，PIN二極管加載在中間位置；第2層為支撐AFSS的介質層Arlon AD 250C，其相對介電常數εr1=2.5，損耗正切tanδ1=0.001 3；第3層為泡沫隔離層，介電常數和損耗正切分別為εr2=1.01，tanδ2=0.005，此處，選擇厚度較大、介電常數較小的泡沫作為隔離層可有效提升結構的工作帶寬[12]；底層為全覆蓋的金屬背板。圖1中，E，H和k分別為入射電磁波的電場、磁場和波矢方向。單元結構的幾何參數如表1所示。

圖 1 AFSS吸波體單元結構圖Fig. 1 Unit cell of the proposed AFSS absorber

表 1 AFSS吸波體物理尺寸Table 1 Physical dimensions of the proposed AFSS absorber

1.2 仿真結果

利用全波電磁仿真軟件CST對上述提出的模型進行仿真。將AFSS單元四周設置為周期性邊界條件，模擬無窮大周期結構；激勵端口設置為平面電磁波，垂直照射到AFSS吸波體表面，電場極化方向沿中間金屬條帶方向。由于底層為金屬背板，電磁波無法透射，因此反射率即可反映吸波體結構的吸波性能。在二極管類型方面，本文選取了NXP BAP 70-03二極管，將PIN二極管等效為一個電阻值隨正向電流的增大而逐漸減小的可變電阻；全波仿真中，在正向導通的情況下，將PIN二極管設置為一定電阻值的集總元件模型。圖2所示為二極管不同等效電阻時AFSS吸波體在2～10 GHz頻段內相應的反射率仿真結果。

圖 2 AFSS吸波體反射率仿真結果Fig. 2 Simulated reflectivity of the proposed AFSS absorber

由仿真結果可見，當PIN二極管等效電阻變化時，AFSS吸波體的反射率隨之改變。這是因為電阻的變化改變了AFSS結構的輸入阻抗特性，進而使得反射率產生變化；在PIN二極管等效電阻逐漸增大的過程中，獲得的反射率結果低于-10 dB的頻帶范圍可連續覆蓋2.6～7.5 GHz。

圖3給出了不同等效電阻加載下AFSS吸波體在相應諧振頻點的表面電流圖。圖中，箭頭表示電流方向，顏色深淺表示電流幅度（單位：A/m）。由圖可見，在入射電磁波照射下，表面感應電流主要分布在金屬條帶上，匯聚后流經中心PIN二極管加載處。另外，加載了不同數值大小的電阻，將不同程度地改變表面的電流路徑，而且AFSS吸波體結構的諧振吸波頻率也會隨之改變，從而實現反射率的頻率響應隨PIN二極管不同狀態變化的調控效果。二極管的等效電阻效應則可以通過歐姆損耗將入射電磁波的能量轉化為熱能，進而有效降低AFSS吸波體的反射率。本文設計的錨型金屬AFSS圖案有利于表面感應電流的匯聚，可以實現良好的吸波效應。

為進一步說明PIN二極管的歐姆損耗效應，圖4給出了仿真結果，由圖可見二極管貢獻的功率損耗占總輸入電磁波能量的比例。此結果說明：在2.6～7.5 GHz頻帶內，二極管損耗了入射電磁波的大部分能量；另外，在不同等效電阻情況下，損耗占比和所處頻段均有不同，且其特性與圖2中對應的反射率結果幾乎完全一致。這表明，AFSS吸波體的低反射率特性是PIN二極管等效電阻產生歐姆損耗導致的結果。

圖 3 AFSS吸波體表面的電流分布Fig. 3 Surface current distributions of the proposed AFSS absorber

圖 4 總能量中的二極管損耗占比Fig. 4 The ratio of loss from diode to the total energy

2 理論分析

多層結構中，電磁波在不同結構分界面處將產生反射和透射，結構的總體電磁特性由不同傳播路徑的電磁波疊加而成。因此，在分析多層結構時，本文利用了多反射干涉理論展開研究，可以較深入地探討理想吸波效應的物理機理[13]。圖5所示為多反射干涉理論分析模型。假設AFSS層和金屬背板的厚度均為0，與工作波長和介質厚度相比，可忽略不計，并可將自由空間與吸波體分為2個區域和2個界面，即入射電磁波的來波自由空間區域1和吸波體介質層構成的區域2，以及AFSS層所處的界面1和介質與金屬背板的分界面2。此處，為簡便考慮，本文將Arlon和泡沫層這2種介質等效為一種組合介質來展開分析。

圖 5 多反射干涉理論模型Fig. 5 The model of multi-reflection interference theory

式中：β=nk0，為介質中的波數，其中k0表示自由空間的波數，n表示介質的折射率；d為從界面1到金屬背板界面2的電磁波有效傳播路徑長度，d=t·cos(arcsin(sinα/(ε2/ε1)1/2))，其中t為介質層的物理厚度，ε1和ε2分別為區域1和區域2的相對介電常數。利用微波技術中二端口無損耗網絡的散射參數性質[14]：(θ12+θ21)-(φ12+φ21)=±π，則式（1）可以進一步改寫為

式中，φ21-π-2βd為在區域2內相鄰兩次電磁波在界面1處的反射相位差，為便于表示，這里采用一個新的變量γ來表示。若要使吸波體整體的反射系數S11=0，則由式（2）可知，必須同時滿足以下的幅度和相位條件：

式（3）和式（4）即為吸波體結構理想吸波的幅度及相位條件。

為驗證上述結論，圖6相應地給出了當PIN二極管等效電阻為100 Ω時，仿真獲得的幅度和相位結果。由仿真計算結果可知，在5～6 GHz頻帶范圍內，由散射參數計算的2種幅度響應幾乎一致，且相位趨近于0°，即同時滿足上述的幅度和相位條件；對應地，幅—相條件頁可反映圖2中AFSS吸波體在該頻帶范圍內表現出的低反射特性。

圖 6 利用多反射干涉理論計算的幅度和相位結果Fig. 6 The calculated magnitudes and phase using the interference theory

多反射干涉理論的特點是，在不含金屬背板的情況下，只需要知道電磁波在界面1處的反射系數和透射系數，即可計算出含金屬背板的吸波體結構的整體反射率。為便于比較，將4種等效電阻狀態下由多反射干涉理論計算獲得的反射率與之前的仿真結果進行了比較，結果如圖7所示。

由圖7可見，在加載不同等效電阻的情況下，仿真與計算結果的頻率響應特性大致相同，僅在部分頻帶內有較小的差距，這是因為采用干涉理論計算時并未考慮各層間的耦合效應?？傮w上，采用多反射干涉理論可以有效地研究和分析本文所提出的AFSS吸波體反射率調控特性的問題。

圖 7 利用CST仿真和干涉理論計算的反射率結果Fig. 7 Reflectivity of the proposed absorber simulated by CST and calculated from the interference theory

3 測試結果

在實物加工與測試中，確立最終的仿真模型后，采用印刷電路板技術制備了上層附著于Arlon介質的平板AFSS實驗樣件，如圖8(a)所示。實物樣件總共包含10×10個周期單元，上、下層金屬結構的電導率為5.8×107S/m。整體結構的物理尺寸為415 mm×415 mm，為中心頻率6 GHz對應波長的8.3倍。在實測中，根據仿真模型，在上層AFSS樣件和底層金屬背板間添加了一層厚度為10 mm的泡沫層。每排10個單元中的二極管在串聯后，正、負極分別連接至左側和右側，由0.5 mm的細饋線最終匯總至板子下層集中饋電；由于采用串聯饋電，每排10個PIN二極管上流經的電流相同，因此其所處狀態及等效電阻也完全相同，從而實現了良好的偏置控制。采用的PIN二極管型號為NXP BAP 70-03，當其正偏電流從0.1 mA增加至100 mA時，等效電阻將從330 Ω逐漸減小至2 Ω。圖8(b)為反射率測試示意圖。在微波暗室內，將樣件平板固定在轉臺上，收發天線與轉臺的距離滿足了測試要求的遠場條件。為減小背景雜波和環境等因素的干擾，在微波暗室內和轉臺周圍放置有錐形吸波材料。

為獲得AFSS吸波體實物樣件的反射率，首先將同樣大小的金屬鋁板放置在轉臺上，測試此時的反射參數頻響，并作為校準值，然后將實物樣件放置在相同位置，逐漸改變直流電源的電壓大小，其他條件均保持不變，測得每一個正向電壓下AFSS吸波體的頻響特性，并與金屬背板測試所得的反射參數作差，即為AFSS吸波體的反射率。圖9所示為最終測試結果，圖中標注的電壓數值為10個PIN二極管串聯后的總電壓，因此每個二極管兩端的電壓變化范圍為0.55～0.7 V。

圖 8 AFSS吸波體樣件和反射率測試示意圖Fig. 8 Photograph of the fabricated AFSS absorber and reflection measurement setup

圖 9 AFSS吸波體反射率測試結果Fig. 9 Measured reflectivity of the proposed AFSS absorber

由測試結果可知，當逐漸改變偏置電壓時，AFSS吸波體可在2.5～9.1 GHz頻帶內保持較低的反射率。與仿真結果相比，測試的反射率在3.5～4.9 GHz時要略大于-10 dB，但均在-8.5 dB以下。測試結果顯示的調控趨勢和頻帶范圍基本與仿真結果一致，出現較小的誤差可能包括3個原因：一是PIN二極管人工焊接中產生的寄生效應難以在仿真中真實體現；二是測試樣件的尺寸為有限大小，而仿真對象為無窮大的周期結構；三是在實物加工和暗室測試過程中，人為的操作可能會帶來一定的誤差。

4 結 語

由PIN二極管加載的AFSS與含金屬背板的介質組合，可構成一種新型微波可調吸收體。通過改變加載到二極管兩端的偏壓狀態，利用不同阻抗狀態下的歐姆吸波效應，即可實現在2.5～9.1 GHz頻帶范圍內對AFSS吸波體的反射率動態調控。本文設計的寬帶可調吸波體，在多頻復雜電磁環境下的武器裝備隱身設計中具有一定的參考價值和應用前景。