具有吸波特性的毫米波頻率選擇表面設計

吳啟迪，李 雪，尹昱晴，王靜涵，何 姍，徐 娟

（曲阜師范大學，山東 曲阜 273165）

0 引 言

雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）是衡量目標對入射電磁波散射能力的一個重要物理量，是雷達探測、目標識別、隱身與反隱身研究的重要基礎[1]。雷達隱身技術的主要目的就是降低目標的雷達散射截面[2]。如今，RCS已成為評價作戰時反偵察實力的主要指標，低RCS的裝備能大幅度提升地面目標的作戰與生存功能。對于在天線上加載的吸波結構，首要的是確保對天線的性能影響較小，或是不產生惡劣影響?，F階段，對于雷達散射截面的縮減方法大致可以分為兩種，一種是利用隱身涂層來進行RCS的縮減，但這種方法極有可能會影響飛行器的氣動布局，而且隱身涂層也較為昂貴，花費巨大；另一種是設計吸波結構，普遍采用頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）來實現RCS縮減的功能。

FSS可以把電磁波反射到敵方探測不到的非危險區域，以此來減小雷達的散射截面，從而達到隱形的目的[3]。但是針對FSS天線罩的反隱身技術也高速發展，目標在敵方探測下的非危險區域逐漸縮小，單純的FSS也就無法達到現在所需的隱身條件[4]。在未來戰場上，這一缺陷必將被無限放大，因此人們針對這一缺點進行了廣泛研究。人工電磁超表面被提出用于RCS的縮減，然而必須通過特定的排列才能使單元之間的相位達到180°的相位差，從而實現縮減RCS的功能。而吸波、透波一體化的FSS無需進行特定的排列，僅憑單元就能實現RCS的縮減。由于其既能在特定頻率接收或傳輸信號，又能夠在一定的頻段吸收任何方向的來波，因此能夠在保證工作頻率透波的情況下達到帶外吸波的效果[5]。二維頻選吸波體（Frequency Selective Rasorber，FSR）經過特定的結構設計能產生更大的吸波帶寬，比涂覆式表面吸波材料性能更為優良，而且還能夠通過設定頻率選擇性表面的構造與參數靈活地設定為不同的吸收波段，因此可以被廣泛應用在電磁波吸附的不同場合。

本文提出一種工作在毫米波波段、雙側吸波、中間透波的二維雙環形FSR，通過在貼片金屬表面加載適當參數的電阻元件完成對特定頻率電磁波的吸收，并在工作頻率內完成吸收、輻射以及吸收的頻率劃分。

1 頻率選擇表面吸波體基本理論

1.1 FSR簡介

FSR結構是由FSS和電路模擬吸波體（Circuit Analog Absorber，CAA）基于結構設計的吸波體，在通帶和吸收帶范圍內可以實現阻抗匹配，通過選取適當的集總元件參數值以及空氣填充厚度，最終達到理想的結構特性[6]。FSR可以分為無通帶吸波體和有通帶吸波體兩大類，其中無通帶吸波體通常包括窄帶吸波體和寬頻吸波體，而有通帶吸波體則通常包括單側吸波體和雙側吸波體[7]。從結構維度上劃分，FSR也可分為兩類。第一類是二維FSR，其優點在于結構簡單、易于制造且成本較低，但穩定性較差；第二類是穩定性好、頻率選擇性高，但制造難度大、成本高的三維FSR。三維FSR結構加工并不簡單，而且測量誤差也較大，應用并不廣泛。二維FSR卻因為其構造更加簡化、設計更加靈活多樣等優勢被普遍使用。

1.2 FSR結構模型與等效電路分析

二維FSR通常由頂部電阻層、中間介質基板以及底部帶通FSS構成，其結構模型如圖1所示。其中，最頂部電阻層主要擔負電磁波的吸收任務，常由金屬結構和高耗器件所組成。底部則主要用來透射電磁波，同時為電阻層提供反射帶，一般采用帶通特性的頻率選擇表面。電阻層與頻率選擇表面層都印刷在高頻工作介質板上，且兩層之間透過空氣相隔，其間距約為實際工作波長的1/4[8]。二維FSR的吸波原理是入射電磁波在有損表面的反射波與通過介質層入射到金屬地板后形成的反射波之間的傳播路徑存在1/2波長差，二者相互作用可產生抵消效果，使入射電磁波反射率較低[9]。

圖1 FSR模型

圖2為二維FSR模式的等效電路結構，其中Z1和Z2分別是吸波層與頻率選擇表面層的特征電阻，而Z0則是自由空間的波阻抗，Zh是介質板與兩板間間隙的混雜阻抗。

圖2 FSR等效電路

可由傳輸線理論得出FSR等效電路的矩陣結構為：

老年冠心病非心臟手術應激會在一定程度上損傷患者心肌，影響患者康復。有研究證實，不同麻醉方式及藥物可影響患者術中血流動力學的穩定性，顯著降低患者術中心肌細胞的缺血缺氧損傷[5]。右美托咪定是高選擇性α2腎上腺素能受體激動藥,激活中樞藍斑突觸，通過負反饋抑制交感神經系統的活性，降低中樞和外周去甲腎上腺素的釋放，減慢心率，同時降低心臟負荷與心肌耗氧，從而改善心肌的氧供需平衡[6]。七氟醚是常用的吸入性麻醉藥，具有擴張外周血管、減輕心臟后負荷、改善心肌順應性的作用，能減輕圍術期心肌細胞的缺血缺氧性損傷[7]。

式中：θ=2π/h；h為兩個介質板的間隙厚度；Zr為吸收層特性阻抗；ZF為FSS層特性阻抗。由式（1）中的A、B、C、D得反射系數|S11|和傳輸系數|S21|分別為：

當FSR在通帶工作時，其反射系數|S11|為0，傳輸系數|S21|為1。當FSR工作于吸波帶時，在理想情形下要求反射系數|S11|為0，傳輸系數|S21|也為0，即要求吸波率A為A=1-|S11|2-|S21|2=1，達到優秀的吸波效果。

2 設計實例

2.1 FSR模型設計

基于上述的基本理論，提出了一款二維雙側FSR，其三維結構如圖3（a）所示。該結構由兩部分組成，分別為頂部損耗性的吸波層和底部非損耗性的透波層，上、下兩層具體結構分別如圖3（b）和圖3（c）所示。透波層為方環縫隙型結構，組成具有帶通特性的頻率選擇表面，在中心頻率附近實現透波，產生一個通帶，而在帶外的區域實現反射特性。頂層由內外兩個分別加載不同集總電阻的環型金屬貼片組成（標注為數字的部分是加載的集總電阻），通過加載集總電阻的環形金屬貼片產生兩個吸收帶，對帶外的信號進行吸收。外側圓形環在中心頻率左側形成一個低頻吸收帶，對低頻信號進行吸收，而內側齒輪形環在中心頻率右側形成一個高頻吸收帶，對高頻信號進行吸收。集總電阻用lump RLC邊界條件模擬，能夠最大程度模擬出加載集總電阻時單元結構所表現出的電磁特性。邊界條件的具體參數見表1，兩層結構的金屬結構材質都是銅，介質基板采用相對介電常數εr=3.0，損耗角正切為0.001 3的Rogers RO3003，介質基板的厚度t=0.127 mm。兩層結構之間被空氣填充，其他具體相關參數見表2。

表1 lump RLC邊界參數

表2 雙環形FSR的結構參數

圖3 雙環形FSR結構

該FSR吸波體的等效電路如圖4所示。位于底層的縫隙型頻率選擇表面作為透射層以實現對入射波選擇性的通過，縫隙部分可以等效為電容C3，縫隙外側的金屬貼片部分可以等效為電感L3，由于頻率選擇表面中心部分金屬貼片等效的電感十分微弱，在分析時可忽略，因此底層縫隙型頻率選擇表面等效為電容C3和電感L3的并聯。頂層的吸波層由2個加載集總電阻的貼片金屬環組成，R1、R2分別為外金屬環和內金屬環上加載的電阻，C1為2個金屬環之間縫隙等效而成的等效電容，L1為外金屬環等效成的等效電感，L2為內金屬環等效成的等效電感。Z0則是自由空間的波阻抗，Zh是介質板與兩板間間隙的混雜阻抗。

圖4 雙環形FSR的等效電路結構

2.2 仿真分析

為分析該雙環型FSR單元結構的特性，用全波仿真軟件HFSS對所設計的FSR單元結構進行仿真模擬。在將電磁波垂直入射時，該FSR單元結構中S參數的仿真結果如圖5所示，通帶中心頻率為39.8 GHz。在39.8 GHz處，透射系數的值為-0.27 dB，即在此頻率下的插入損耗僅為0.27 dB。將透射系數大于-2 dB部分定義為阻帶，則阻帶為36.6～42.3 GHz。反射系數和透射系數均小于-10 dB的頻段為29.3～31.4 GHz和47～50.6 GHz，在該吸波頻段內存在兩個諧振點，分別位于 30.4 GHz和 48.7 GHz。

圖5 雙環形FSR的S參數

針對諧振頻點30.4 GHz、48.7 GHz處以及非吸波頻點39.8 GHz處在TE模式下的電流分布，對吸波原理進行進一步的分析，如圖6所示。可以看出，當諧振頻率為30.4 GHz時，電流較多地分布在外部的金屬圓環、內部的齒輪形金屬圓環以及加載在兩金屬圓環的集總電阻上。由此可見，幾個部分共同作用增加了有效電長度，使得諧振頻率向低頻移動，并在30.4 GHz附近形成了低頻吸波帶。當諧振頻率為48.7 GHz時，電流僅分布在內部的齒輪形金屬圓環及內部加載的集總電阻上，單元結構的有效電長度大大減小，因此頻率向高頻方向移動，在48.7 GHz處產生了諧振點，并在此諧振頻率附近形成了高頻吸波帶。在30.4 GHz和48.7 GHz處，表面電流在集總電阻上分布較強，故電阻可以消耗更多能量，在通帶的兩側形成兩個吸波帶；而在39.8 GHz處，電阻上分布的電流較弱，因此也就無法實現吸波特性。

圖6 雙環形FSR表面電流分布

吸波體的性能優劣一般使用吸收率A進行評估，定義反射率R為|S11|2，透射率T為|S21|2，則吸收率為A=1-R-T=1-|S11|2-|S21|2。同時，考慮到實際應用的需要，電磁波并不是僅從垂直方向入射，因此也要考慮到不同角度入射的FSR吸收性能的變化，因而角度穩定性也是衡量吸波性能的重要指標，性能良好的吸波體能在入射角度變化時依然保持吸波性能的穩定。圖7（a）和圖7（b）分別顯示了雙環形FSR在TE和TM極化模式下，入射角度從0°增加到40°時的吸收率A和透射率T的變化曲線。

圖7 雙環形FSR在不同極化模式下不同角度電磁波入射時的吸收率

從圖7可發現，極化方式和入射角度發生變化時，通帶的透射率T幾乎沒有改變，因此該FSR單元結構對于極化方式和入射角度不敏感。通帶在TM極化模式下比較平穩，在TE極化模式下，通帶的透射率T略有降低，但均維持在0.9以上，最高處達到了0.97。TE極化時，隨著入射角逐漸變大，單元結構的工作頻率逐漸向較高頻率處偏移，單元結構工作頻率的透射率T隨著入射角度的增加稍有降低，通帶帶寬略微減小，但總體性能依然保持不變，吸收率與TM極化模式下大致相同，均維持在0.9以上，最高處達到了0.95。

由圖7（a）可以看出，當入射角度逐漸由0°增加至40°，通帶中心頻點逐步向高頻移動，由39.8 GHz變為40.2 GHz，而通帶頻段由36.6～42.3 GHz變為37.4～42.3 GHz，帶寬略微降低；位于通帶左側的吸收帶，其吸波率A達到0.8以上，吸波頻段從29～31.6 GHz變為28.5～31.5 GHz；位于通帶右側的吸收帶，其吸波率A達到0.8以上，吸波頻段從46.7～51 GHz變為45.7～51.6 GHz，兩吸收帶的吸收帶寬略微擴寬。隨著入射角度的增加，兩側吸收帶中吸波率A最高的諧振頻點逐漸向低頻方向偏移，吸波帶寬不斷增大，且均能達到0.9以上，吸波性能良好，所設計結構角度穩定性較強。TM極化時，隨著入射波入射角度的不斷增大，通帶中心頻率逐漸降低，單元結構工作頻率處的透射率T逐漸變大。當入射角度逐漸由0°增加至40°時，兩側吸收帶中吸收率A最高的頻點逐漸降低，吸波帶寬不斷減?。蛔髠任◣У奈蔄達到0.8以上的吸波頻段從28.9～31.5 GHz變為28.9～30.5 GHz；右側吸波帶的吸波率A達到0.8以上的吸波頻段從46.8～50.7 GHz變為46.4～49.1 GHz。且當入射角度為40°時，在高頻段會出現吸波率突降，導致吸波帶寬下降較多。表3總結了雙環形FSR結構在不同極化、不同角度入射電磁波照射下的傳輸、吸波性能變化。

表3 雙環形FSR在不同極化方式與入射角度下的吸波性能

3 結 論

本文提出了一種二維雙側FSR，其中心頻率為39.8 GHz，最低插入損耗僅為0.27 dB，通帶頻率為36.6～42.3 GHz，相對帶寬為14.3%，整體單元結構由底層帶通型頻率選擇表面與頂層嵌套式吸波結構構成。該FSR的底層是一個方形縫隙FSS，用來在中心頻率形成通帶，同時反射帶外信號。頂層利用兩個加載集總電阻的環形金屬貼片形成了頻帶范圍在29～31.6 GHz和46.7～51 GHz的吸收率大于80%的雙吸收帶，吸收帶中入射波的能量被加載至金屬圓形貼片中的集總電阻所耗散。由于其具有軸對稱和中心對稱結構，FSR表現出良好的角度穩定性，在0～40°的入射角度下性能穩定，對入射角度和極化方式不敏感，具有良好的應用價值和市場價值。