基于單層頻率選擇表面的輕質寬頻吸波體設計

曹文博,麻晢乂培,黃小忠,姜 超

(中南大學 粉末冶金研究院,湖南 長沙 410083)

通信技術的發(fā)展和智能家居的普及帶來了復雜的電磁輻射問題,電磁防護材料和技術應運而生。電磁防護材料和技術在電磁兼容、抗電磁干擾、電磁環(huán)境保護以及減小雷達探測截面積等領域得到廣泛的應用[1-6],吸波技術是目前最有效的方案。基于結構設計的吸波體最早可追溯到Salisbury 屏,通過在導電底板平面上方空間放置一層電阻板,可在特定頻率下形成窄帶的電磁波吸收[7]。Jaumann 吸波體是對Salisbury 屏的延伸,通過多層電阻板來增加共振,得到更寬的帶寬,但會顯著增加結構的整體厚度[8]。為了在較薄的厚度下得到寬頻帶吸波性能,Munk[9]提出了將頻率選擇表面(FSS)和Salisbury 屏結合,即將金屬頻率選擇表面FSS 設計為電阻膜頻率選擇表面FSS的電路模擬(CA)吸波結構,CA 層包含FSS 二維周期陣列結構中的感抗和容抗以及Salisbury 屏的阻抗部分,可以使得單阻抗層[10-16]的吸波體在寬頻帶內具有良好的阻抗匹配特性,在較薄的厚度下拓寬吸波帶寬,通過設計多阻抗層[17-22]引入多層損耗和多重共振,吸波體進一步拓寬吸波帶寬。

Sharma 等[10]提出一種開口諧振圓環(huán)和十字相結合的電阻膜FSS 單元,結構的厚度僅2 mm,能在8.5～16 GHz 頻帶內實現寬帶吸波。基于電阻膜的FSS 在厚度和角度穩(wěn)定性上有獨特的優(yōu)勢,但也存在方阻值難以準確控制等問題,影響了其在工程實際中的應用進程。為此,研究人員把印刷電路板技術應用到CA 吸波體制備中,將貼片電阻加載在金屬FSS 陣列中,使CA 層的設計參數能被精確控制,提高了仿真和樣品、樣品和樣品之間的一致性。Zhang 等[12]通過設計一種旋轉彎曲的金屬條FSS 單元,在寬頻帶范圍內得到四個諧振峰,實現了2.68～12.19 GHz 頻帶內的吸波。Lin 等[14]設計了一款加載有貼片電阻的風扇狀偶極子陣列,實現了3.78～11.78 GHz 頻帶內吸波在90%以上。Yao 等[17]提出了一種基于多層多共振FSS 陣列的寬帶吸波體,每層結構都有一個特定的吸波帶,通過多層結構間不同吸收帶的耦合,該結構在垂直入射的條件下實現了1～12.9 GHz 的超寬帶吸波。呂世奇等[18]通過縱向級聯兩種不同頻段的吸波體來拓寬帶寬,上層為加載貼片電阻的梯形金屬貼片,下層為加載貼片電阻的方環(huán),可在2.24～16.14 GHz 頻帶內-10 dB 吸波,實現相對帶寬為151%的超寬帶吸波。

以上結構擁有各自的優(yōu)點,但在兼顧輕質、寬頻、強吸波的性能特點上都還有繼續(xù)優(yōu)化的空間,如何在不大幅增加結構面密度和厚度的情況下盡可能地拓展吸收帶寬仍是一項值得研究的課題。本文基于電阻加載型電路模擬吸波結構,選取聚酰亞胺(PI)膜作為FSS 的介質基底,聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫作為結構支撐層,降低結構重量的同時保證了結構的強度,得到了一種輕薄寬頻吸波體。

1 結構設計與仿真

吸波體的幾何結構如圖1(a)所示。吸波體從上到下由加載有貼片電阻的FSS 層、泡沫支撐層和金屬反射層組成。FSS 層由介質襯底和蝕刻在其表面的閔可夫斯基環(huán)組成,介質襯底選用相對介電常數(εr)為3.15,損耗角正切(tanδ)為0.003 的PI 膜。在閔可夫斯基環(huán)陣列的四角各嵌入兩個阻值為100 Ω 的貼片電阻,以引入電阻損耗,從而吸收入射電磁波。采用PMI 泡沫作為支撐層將金屬圖案與地平面隔離,PMI由于具有較低的介電常數有利于實現寬帶阻抗匹配,有效拓展吸收帶寬。經過優(yōu)化設計后的結構幾何尺寸參數為:p=15 mm,d1=13.5 mm,d2=4.5 mm,g=0.4 mm,t=0.1 mm,h=6.5 mm。

根據定義,吸波體結構的吸收系數計算公式如下:

式中:A為吸收系數;S11為反射系數;S21為透射系數,由于吸波體結構采用金屬背板,透射系數S21為0。因此,式(1)可以改寫為:

式中:Zin為吸波體的輸入阻抗;Z0為空氣波阻抗,空氣波阻抗為377 Ω。當輸入阻抗和空氣波的特征阻抗相同時,反射率為0,吸波體達到完美吸波,因此吸波體要想達到良好的吸波率,需要Zin的實部接近于377 Ω,虛部接近于0。

在CST Microwave Studio 中通過頻域求解器對一個吸波體單元進行了全波仿真,在電磁波垂直于吸波體入射的情況下得到反射率曲線,結果如圖2 所示,吸波體在3.95～17.1 GHz 頻段內反射率小于-10 dB,相對帶寬達到124.9%;在4.6,11 和16.45 GHz 處有3 個吸收峰,反射率分別為-11.8,-45.5 和-20.9 dB,對應吸收率分別達到93.4%,99.9%和99.2%。

圖2 吸波體的仿真反射率Fig.2 Simulated reflectivity of the absorber

通過吸波結構表面電流分布圖和史密斯圓圖(如圖3 所示)的分析,探究了三個吸收峰產生的原因。

在電磁波垂直入射時,三個吸收峰對應的表面電流分布如圖3(a)～(f)所示,箭頭表示電流方向,顏色深淺表示電流強度(單位:A/m)。從圖中可以看出,在4.6 GHz 處,表面電流主要分布在平行于電磁波電場分量的金屬條帶上,頂層表面電流方向與底層表面電流方向相反,此時結構產生磁共振;在11 GHz處,表面電流主要分布在環(huán)結構加載貼片電阻的四角,頂層表面電流方向與底層表面電流方向相同,結構產生電共振;在16.45 GHz 處,分布在凹金屬條帶(平行于電場方向)上的表面電流方向與底層表面電流方向相同,四角上的表面電流方向與底層表面電流方向相反,此時結構產生電磁共振。金屬條帶自身存在的電阻可忽略不計,貼片電阻是結構中歐姆損耗的主要來源,表面電流流經貼片電阻將電磁能轉化為熱能。此外,通過史密斯圓圖圖3(g)可以看出11 GHz 處的阻抗匹配最好,16.45 GHz 處的阻抗匹配優(yōu)于4.6 GHz,和3 個吸收峰的吸收強度一一對應。

圖3 在4.6,11,16.45 GHz 頻率處(a～c)頂層表面電流和(d～f)底層表面電流;(g)史密斯圓圖Fig.3 (a-c) Top layer surface current and (d-f) bottom layer surface current at 4.6,11,16.45 GHz;(g) The Smith chart

2 電阻參數影響

由于不同阻值的貼片電阻會改變吸波體吸收性能,本研究分析了電阻值大小對吸收率的影響,如圖4 所示。貼片電阻為50 Ω 時,存在3 個吸收峰,但僅在低頻有良好的吸收率,有效吸收帶寬較窄,隨著電阻阻值升高到100 Ω,3.95～17.1 GHz 內反射率在-10 dB以下,吸收率達到90%以上;電阻為150 Ω 時,在寬頻帶內形成一個反射率較為穩(wěn)定的吸收帶;當阻值達到200 Ω 時,吸收峰從最初的3 個轉變?yōu)榱? 個,此時吸收帶寬及吸收率綜合性能有所下降。電阻阻值的改變主要影響了結構的阻抗匹配,從50 Ω 增加到100 Ω 的過程中,寬頻帶內阻抗匹配性能逐漸提升,吸收強度不斷提高,由圖3(g)可知當電阻為100 Ω時,在11 GHz 處達到接近于完美的阻抗匹配,隨著電阻繼續(xù)增大,完美阻抗匹配被打破,反射率的升高導致該頻點處的吸收峰逐漸消失。寬頻帶內穩(wěn)定且更強的吸收率一直是吸波體設計的目的之一,本結構最終選用150 Ω 的貼片電阻,此時吸波體在5.8～15.95 GHz 范圍內反射率小于-15 dB,吸波率達到96.8%以上。

圖4 反射率隨電阻阻值大小的變化Fig.4 Variation of reflectivity with resistance

3 極化穩(wěn)定性與角度穩(wěn)定性

工程應用對吸波體的入射極化穩(wěn)定性和入射角穩(wěn)定性提出了要求,為了檢驗吸波體的極化穩(wěn)定性,圖5 分析了0°～90°時的反射率穩(wěn)定性,不同極化角度下反射率基本保持一致,結構對電磁波極化不敏感。

圖5 反射率隨極化角度的變化Fig.5 Variation of reflectivity with polarization angle

然后模擬了吸波體電磁波斜入射情況下的穩(wěn)定性,如圖6 所示。斜入射下自由空間阻抗與電磁波的極化相關,TE 極化模式下,ZTE=Z0/cosθ;斜入射角θ范圍為0°～30°時,吸收率在5.2～14.3 GHz 頻帶內保持90%以上,在40°斜入射時,高頻吸收率出現衰減,但低頻的吸收率保持良好。TM 極化模式下,ZTM=Z0cosθ,斜入射角θ范圍為0°～30°時,吸收率較為穩(wěn)定,與垂直入射時幾乎相同。在40°斜入射時,吸收頻帶向中間收縮,兩端吸收率下降。不同極化下的自由空間阻抗隨入射角的變化趨勢相反,當入射角較小時,ZTM與ZTE差距小,接近垂直入射時的阻抗,故兩種極化下的反射率相似,隨著入射角度的升高,阻抗變化較大,良好的阻抗匹配性被打破,不同角度與極化下的反射率會出現明顯的差異。總的來說,對于TE 和TM模式,吸波體都能在30°斜入射范圍內保持反射率的穩(wěn)定。

圖6 (a)TE 和(b)TM 偏振斜入射時的仿真吸收率Fig.6 Simulated absorptivity of (a) TE and (b) TM polarization oblique incidence

4 測試結果

為驗證本文提出的基于單層FSS 吸波體設計的有效性,制作了相應的試驗原型,如圖7 所示,結構整體尺寸為300 mm×300 mm (19×19 單元),通過柔性印刷電路板的制備方式將金屬周期結構刻蝕在厚度為0.1 mm 的柔性PI 膜上,采用表面貼裝技術(SMT)將封裝為0402、阻值大小為150 Ω 的貼片電阻焊接在周期結構上,按照吸波體的立體結構示意圖,使用熱熔膠膜將制備好的FSS 結構、PMI 泡沫支撐層和金屬底板粘接在一起,后通過高溫真空袋壓的方式將膠膜固化完成吸波體結構制備。

圖7 原型照片Fig.7 Photographs of the prototype

采用弓形法在微波暗室中對樣品進行測試,使用矢量網絡分析儀連接到兩個寬帶雙棱喇叭天線測出反射率。仿真和實測結果如圖8(a)所示,實測結果表明吸波體在5.3～17.5 GHz 頻帶內反射率小于-10 dB,吸波體在6.3～15.7 GHz 頻帶內反射率小于-15 dB,圖8(b)、(c)分別為斜入射下TE 和TM 偏振的測試吸收率,測試結果表明吸波體有較好的入射角穩(wěn)定性,與仿真結果基本吻合,微小的差異是由于板材在加工復合過程中的誤差造成。

圖8 (a)正入射下仿真和測試反射率;(b)TE 和(c)TM 偏振斜入射時的測試吸收率Fig.8 (a) Simulation and measured reflectivity under normal incidence;Measured absorptivity of(b) TE and (c) TM polarization oblique incidence

以往文獻報道的吸波體設計中,往往忽略了面密度這一重要指標,表1 列出了本文所設計的吸波體與先前報道文獻的性能比較。

表1 性能對比Tab.1 Performance comparison

對比可以看出本文設計的吸波體的面密度僅為0.678 kg/m2,且在吸波頻帶內吸波率大于96.8%,在密度低、厚度薄、吸波強的要求下,保持了較好的綜合性能。

5 結論

提出了一種基于單層頻率選擇表面(FSS)的超寬頻吸波體。通過分析表面電流分布圖以及史密斯圓圖,解釋了多諧振點產生的原因,通過修改參數,吸波體單元結構對稱,極化不敏感;有較好的入射角穩(wěn)定性。仿真數據顯示結構厚度為6.6 mm 時,在4.7～16.75 GHz 頻帶內反射率小于-10 dB,強吸收頻帶為5.8～15.95 GHz,頻帶內反射率小于-15 dB;測試結果顯示,樣品在5.3～17.5 GHz 頻帶內反射率小于-10 dB,6.3～15.7 GHz 頻帶內反射率小于-15 dB。整體仿真與實測結果吻合較好。本文設計的吸波體兼具輕質、寬帶和高吸收率的性能,有較好的綜合表現。