一種具有雙吸收帶的頻率選擇特性吸波器

尹麗媛，薛正輝，金 城，任 武，李偉明，張彬超，呂奇皓

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

0 引言

頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)作為空間電磁波濾波器，在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1-5]。電磁波吸收器是基于其對(duì)電磁波的反射或透射的濾波功能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信、傳感器及輻射防護(hù)等領(lǐng)域的各種應(yīng)用價(jià)值，例如抵消復(fù)雜環(huán)境電磁干擾和飛行器隱身功能等方面。大部分電磁波吸收器的設(shè)計(jì)指標(biāo)及應(yīng)用要求涉及大帶寬、低剖面和角度不敏感等特性，另外，還會(huì)要求雷達(dá)截面積(Radar Cross Section，RCS)縮減達(dá)到10 dB以上[6-7]。因此，傳統(tǒng)的電磁波吸收器，如Salisbury結(jié)構(gòu)和Dallenbach結(jié)構(gòu)可能無(wú)法滿(mǎn)足上述需求。

為此，新型電磁波吸收器成為研究的熱門(mén)方向，目前存在的電磁波吸收器的設(shè)計(jì)大致可以分為2大類(lèi)：一類(lèi)是級(jí)聯(lián)2層具有吸收性和透射性的二維FSS結(jié)構(gòu)[9]，另一類(lèi)是三維FSS結(jié)構(gòu)，通常使用平行板結(jié)構(gòu)組成，具有吸收和投射特性的功能，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)空間位置、物理尺寸以及加載有源器件等方式實(shí)現(xiàn)所需吸波器的性能[10]。二維FSS結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于具有較低的剖面，然而存在帶寬較窄、插入損耗較大以及大角度入射響應(yīng)不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)。三維FSS結(jié)構(gòu)加工較復(fù)雜，但其優(yōu)越的寬帶性能、低插入損耗以及斜入射不敏感性都大大拓寬了三維FSS結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍[11-14]。近年來(lái)，很多論文對(duì)三維的電磁波吸波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，在文獻(xiàn)[15]中采用了大量的集中元件用來(lái)設(shè)計(jì)頻率選擇吸波器，在得到單獨(dú)的吸收帶的同時(shí)給加工帶來(lái)較高的花費(fèi)，并且還設(shè)計(jì)了另一種吸波器，通過(guò)加入有損和無(wú)損的諧振器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)傳輸窗口和2個(gè)吸收帶，然而吸收帶只有一個(gè)反射零點(diǎn)，因此帶寬相對(duì)較小。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一款A(yù)FST，該設(shè)計(jì)無(wú)需集總元件，而且可以實(shí)現(xiàn)所需要的較寬的吸收帶寬，然而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對(duì)加工技術(shù)要求很高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。對(duì)于二維FSS結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[17]提出的吸波器具有雙吸收帶，而且利用具有雙極化特征的平行腔的二維周期陣列設(shè)計(jì)，然而其剖面較高。

因此，為了充分利用電磁波吸收器的濾波特性，拓寬其應(yīng)用范圍，有必要開(kāi)發(fā)一種新的電磁波吸收器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)寬帶吸波、低插入損耗以及斜入射魯棒性，并且盡可能地保持電磁波吸收器結(jié)構(gòu)的低剖面。

本文提出了一種雙吸收帶的三維吸收性的頻率選擇傳輸(AFST)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用平行板波導(dǎo)(PPW)和嵌入片式電阻器的彎曲金屬條實(shí)現(xiàn)。在2段雙吸收帶中間實(shí)現(xiàn)較低插入損耗的傳輸性能，同時(shí)具有入射角度不敏感特性，其結(jié)構(gòu)無(wú)接地設(shè)計(jì)，便于實(shí)際測(cè)試。下面給出結(jié)構(gòu)的等效電路以解釋本文的設(shè)計(jì)原理，仿真用于驗(yàn)證其原理的有效性和所提出的結(jié)構(gòu)的吸收-傳輸-吸收特性。

1 工作原理

提出的AFST單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1(a)是三維視角圖，圖1(b)是對(duì)結(jié)構(gòu)延Z軸進(jìn)行剖分的側(cè)視圖。

(a) 三維視角圖

由圖1可以看出，單元的周期為P，沿著x軸和y軸的高度為H，由2層結(jié)構(gòu)分別作為吸波和傳輸電磁波的功能實(shí)現(xiàn)。吸波層由4個(gè)嵌入電阻片的“門(mén)”字型金屬條貼在內(nèi)層介質(zhì)層組成，其中，金屬條的長(zhǎng)度為L(zhǎng)s=2×l1+l2，寬度為w，內(nèi)層介質(zhì)層的厚度為t1，介電常數(shù)為εr1，電阻器阻值設(shè)置為500 Ω。傳輸層由平行板波導(dǎo)組成貼在外層介質(zhì)板的內(nèi)側(cè)，平行板有2個(gè)長(zhǎng)度分別為ls1和ls2的縫隙。外層介質(zhì)板的厚度為t2，介電常數(shù)為εr2。結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如下：H=18 mm，P=7 mm，l2=4.3 mm，t1=0.5 mm，εr1=4.4，w=0.38 mm，t2=1 mm，εr2=2.2，ws=1 mm，ls1=9 mm，ls2=6 mm。

為了分析提出的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，給出其等效電路，如圖2所示。該等效電路可看作由吸收層和傳輸層2個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)而成。在該電路中，嵌入電阻器的“門(mén)”字型金屬條和平行板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吸波和傳輸電磁波的特性。具體來(lái)說(shuō)，彎折的金屬條可以等效為一個(gè)斷開(kāi)的傳輸線(xiàn)，Zs,θs表示其特征阻抗和電長(zhǎng)度。輸入阻抗Zin_s隨著頻率的變化而變化，當(dāng)電長(zhǎng)度等于λ/4(θs=π/2)和3λ/4(θs=3π/2)時(shí)，Zin_s為0；當(dāng)電長(zhǎng)度等于λ/2(θs=π)時(shí)，Zin_s無(wú)限大，相當(dāng)于開(kāi)路[18]。L1,C1和L2,C2為等效平行板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的2個(gè)縫隙等效的電感和電容，可根據(jù)文獻(xiàn)[19]計(jì)算得出。該等效電路的具體參數(shù)如下：L1=14.44 nH，C1=0.042 pF，L2=3.3 nH，C2=0.306 pF，R=500 Ω，Z0=377 Ω。

圖2 等效電路

傳輸路徑的傳輸線(xiàn)部分的特征阻抗為Z2，電長(zhǎng)度為θ2，其值可以通過(guò)物理尺寸計(jì)算得到[19]。另外，C3表示平行板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和空氣的間隔所產(chǎn)生的等效電容，即：

(1)

通過(guò)對(duì)上述等效電路分析，得到由2個(gè)子網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)而成的傳輸矩陣：

(2)

(3)

式中，YFSS為損耗結(jié)構(gòu)部分的導(dǎo)納，可以由式(4)計(jì)算得到：

(4)

因此，整個(gè)等效電路的阻抗為：

Z=ZⅠ+ZⅡ，

(5)

S參數(shù)可以由上述公式聯(lián)合求出。

2 仿真驗(yàn)證

由Advanced Design System(ADS)計(jì)算和ANSYS HFSS的周期性邊界條件下得到的仿真S參數(shù)曲線(xiàn)對(duì)比如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)的AFST的等效電路(ADS)和HFSS仿真得到的S參數(shù)對(duì)比

該S參數(shù)給出了提出的AFST結(jié)構(gòu)的傳輸和吸收特性。從圖3中可以看到，S11在4～9 GHz的頻段內(nèi)都低于-10 dB，且在4.2～8.26 GHz 的頻段內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)傳輸極點(diǎn)和4個(gè)反射零點(diǎn)。這些傳輸極點(diǎn)和反射零點(diǎn)，分別構(gòu)成了一個(gè)傳輸通帶和2個(gè)吸收帶。因此，AFST結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)雙吸收帶分布在傳輸通帶高低頻兩側(cè)的特性。具體來(lái)說(shuō)，可以從圖3中看到ft為傳輸極點(diǎn)，在其附近形成了一個(gè)傳輸通帶，4個(gè)fai(i=1,2,3,4)反射零點(diǎn)構(gòu)成2個(gè)寬吸收帶，即fa1和fa2構(gòu)成低頻吸收帶，fa3和fa4構(gòu)成高頻吸收帶，分別位于傳輸通帶的兩側(cè)。

結(jié)合等效電路分析，當(dāng)電磁波照射在AFST結(jié)構(gòu)上時(shí)，2個(gè)平行電路L1,C1和L2,C2在fa2和fa3處諧振，得到一個(gè)位于中間的傳輸通帶；當(dāng)彎折金屬條等效的電長(zhǎng)度等于λ/4(θs=π/2) 和 3λ/4(θs=3π/2)時(shí)，AFST結(jié)構(gòu)分別產(chǎn)生了另外2個(gè)反射零點(diǎn)fa1和fa4，從而達(dá)到了展寬吸收帶帶寬的作用。

從圖3中可以看到，ADS和HFSS的仿真結(jié)果具有很高的一致性，說(shuō)明提出的等效電路模型是有效的。同時(shí)，從仿真結(jié)果可以看到，AFST結(jié)構(gòu)的工作頻段在4.2～8.15 GHz，其中，通帶插入損耗在-3 dB以?xún)?nèi)的為5.2～5.75 GHz，相對(duì)帶寬為10.05%。2個(gè)吸收帶位于傳輸帶的高低頻兩側(cè)，分別為4.2～5.2 GHz和5.75～8.26 GHz，由于4個(gè)反射零點(diǎn)的存在，使得2個(gè)吸收帶達(dá)到了較寬的帶寬，其相對(duì)帶寬分別為21.28%和35.83%。整個(gè)工作頻段內(nèi)，S11都低于-10 dB。

為了考察本結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波斜入射的敏感性，針對(duì)提出的AFST對(duì)不同的入射角度(0°～40°)的變化進(jìn)行了仿真，其結(jié)果如圖4所示。可以看出，在入射角40°以?xún)?nèi)，其S參數(shù)響應(yīng)都可以保持較好的穩(wěn)定性，說(shuō)明設(shè)計(jì)的AFST結(jié)構(gòu)對(duì)斜入射具有較好的魯棒性。

圖4 在不同入射角度的S參數(shù)仿真結(jié)果

3 設(shè)計(jì)流程

為了實(shí)現(xiàn)雙吸收帶位于通帶兩側(cè)的特性，將通帶和吸收帶的結(jié)構(gòu)分開(kāi)設(shè)計(jì)。首先通帶路徑,也就是傳輸層,是由貼在外層介質(zhì)板的內(nèi)側(cè)金屬貼片與相鄰周期性單元的該結(jié)構(gòu)組成的平行板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成，金屬貼片設(shè)計(jì)有2個(gè)長(zhǎng)度不同、寬度相同的縫隙，主要為了實(shí)現(xiàn)通帶的調(diào)節(jié)功能。

吸收帶的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)嵌有電阻器的彎折的“門(mén)”字型金屬條吸收電磁波。彎折的金屬條可以等效為一個(gè)斷開(kāi)的傳輸線(xiàn)，輸入阻抗Zin_s隨著頻率的變化而變化，當(dāng)?shù)刃У碾婇L(zhǎng)度為不同的值時(shí)，其等效的輸入阻抗也會(huì)呈現(xiàn)不同的值。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電長(zhǎng)度等于λ/4(θs=π/2) 和 3λ/4(θs=3π/2),Zin_s為0，相當(dāng)于短路；當(dāng)電長(zhǎng)度等于λ/2(θs=π)時(shí)，Zin_s無(wú)限大，相當(dāng)于開(kāi)路[18]。由此，當(dāng)電磁波照射在AFST結(jié)構(gòu)上，當(dāng)Zin_s為0時(shí)，電磁波通過(guò)電阻R，使得電磁波被電阻消耗從而達(dá)到吸收電磁波的功能；當(dāng)Zin_s無(wú)限大時(shí)，由于此時(shí)相當(dāng)于短路，電磁波無(wú)法通過(guò)吸波路徑，從而從通帶路徑穿過(guò)，達(dá)到了傳輸電磁波的特性。

通過(guò)分別設(shè)計(jì)傳輸和吸收路徑的結(jié)構(gòu),最后可以得到一個(gè)中間傳輸通帶、兩側(cè)吸收帶特性的AFST結(jié)構(gòu)。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)具有斜入射穩(wěn)定性，即在斜入射角度不高于40°時(shí)，其S參數(shù)響應(yīng)曲線(xiàn)變化較小，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的AFST結(jié)構(gòu)具有入射角度穩(wěn)定的特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的AFST結(jié)構(gòu)，它具有2個(gè)位于寬通帶兩側(cè)的寬吸收帶。其通過(guò)對(duì)平行板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)縫處理得到傳輸帶，對(duì)“門(mén)”字型的彎折金屬帶嵌入電阻器實(shí)現(xiàn)雙吸收帶，通過(guò)對(duì)其等效電路的分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論，同時(shí)給出了AFST結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過(guò)ADS和HFSS仿真驗(yàn)證了所提出的等效電路模型的有效性，以及設(shè)計(jì)AFST結(jié)構(gòu)具有雙吸收帶和中間通帶的特性，同時(shí)具有入射角度不敏感特性。本文所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有中心對(duì)稱(chēng)特性，因此后續(xù)研究可能會(huì)圍繞極化特性進(jìn)行，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工測(cè)試，驗(yàn)證本文的理論設(shè)計(jì)原理。