圓環(huán)單元FSS對(duì)改善吸波體雷達(dá)吸波特性的影響

汪劍波，肖洪亮，陳桂波，陳新邑，孫貫成，盧 俊

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

圓環(huán)單元FSS對(duì)改善吸波體雷達(dá)吸波特性的影響

汪劍波，肖洪亮，陳桂波，陳新邑，孫貫成，盧 俊

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

設(shè)計(jì)了圓環(huán)單元的頻率選擇表面（FSS）結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)置于吸波材料中構(gòu)成了復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)。利用譜域法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出頻率為2～16GHz微波波段的反射系數(shù)，并研究了圓環(huán)單元尺寸和排布周期對(duì)其吸波特性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)圓環(huán)單元FSS的單元間距為10mm，單元尺寸為3.3mm時(shí)，其共振頻率的反射率由-8.15dB降低為-14.54dB，-5dB吸波帶寬由1.2GHz拓展為3.05GHz；且隨圓環(huán)單元尺寸增大，共振反射率增加；隨單元排列周期增加，吸波材料帶寬增大。結(jié)果表明，利用FSS可以明顯改善吸波材料涂層的吸波性能，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)可以獲得所需的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)，拓展FSS在吸波材料中的應(yīng)用范圍。

頻率選擇表面；吸波材料；譜域法；吸波帶寬

1 引言

隱身技術(shù)是實(shí)現(xiàn)兵器突防、提高作戰(zhàn)效能的有效手段，其中實(shí)現(xiàn)飛行器對(duì)探測(cè)雷達(dá)波隱身仍是需要首先解決的問(wèn)題。在飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈等飛行器非透明件上使用雷達(dá)吸波材料是實(shí)現(xiàn)隱身的一種有效方法。

吸波材料是指能吸收和衰減入射的電磁波，并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能后耗散的材料。采用吸波材料來(lái)降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（RCS）是對(duì)現(xiàn)代軍事目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)隱身的重要技術(shù)之一。在雷達(dá)吸波材料的研究中，厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸波能力強(qiáng)的材料是發(fā)展的趨勢(shì)［1］。目前，研究人員已提出了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的，在吸波材料中使用頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）就是方法之一［2～4］。

FSS是一種二維周期性結(jié)構(gòu)，由大量的金屬貼片或孔徑單元組成，與電磁波相互作用可表現(xiàn)出空間濾波器的功能［5，6］。當(dāng)將FSS與隱身吸波材料結(jié)合時(shí)，可以提高吸波材料的吸波性能［7］。由于FSS的特性與單元形式、排布周期及電磁波的極化等因素有關(guān)，因此，這些因素也將決定FSS對(duì)復(fù)合吸波材料性能的影響。本文從構(gòu)成FSS的結(jié)構(gòu)周期出發(fā)，設(shè)計(jì)了環(huán)形單元FSS，利用譜域法對(duì)含有這種FSS的吸波材料性能進(jìn)行仿真，研究了FSS單元周期對(duì)吸波材料的吸波性能的影響規(guī)律，為FSS在吸波材料中的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 譜域法

FSS分析方法有多種，本文采用譜域法對(duì)含有FSS的吸波結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

設(shè)M是入射電磁場(chǎng)在單元中引起的等效磁流密度，則場(chǎng)點(diǎn)r處的散射磁場(chǎng)可表示為：

其中：

G（r，r′）為自由空間格林函數(shù)，且：

r′為源點(diǎn)，星號(hào)表示卷積運(yùn)算，k0為自由空間波數(shù)。

根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件，在單元中的切向磁場(chǎng)連續(xù)，并應(yīng)用傅里葉變換可獲得單個(gè)單元中的磁場(chǎng)譜域積分方程。由于FSS是二維周期無(wú)限大陣列結(jié)構(gòu)，滿足Floquet定理，因此，可求得FSS無(wú)限大周期陣列結(jié)構(gòu)的入射切向磁場(chǎng)：

3 仿真結(jié)果

3.1 吸波材料及特性

吸波材料的性能主要通過(guò)涂敷吸波材料的金屬平板對(duì)電磁波的反射來(lái)表征。本文采用三層雷達(dá)吸波材料［8］，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 雙層雷達(dá)吸波材料參數(shù)Tab.1 Parameters of bi-layer radar absorbingmaterials

利用譜域法對(duì)吸波體進(jìn)行仿真，結(jié)果（TE極化波0°入射）如圖1所示?？梢?jiàn)，雙層雷達(dá)吸波材料的共振頻率為4.2GHz，反射率為-8.15dB，-5dB帶寬為1.2GHz。

圖1 吸波材料吸波特性Fig.1 Absorbing characteristics of absorbingmaterials

圖2 環(huán)孔單元FSS結(jié)構(gòu)Fig.2 Ring-unit FSS structure

本文設(shè)計(jì)了一種環(huán)孔單元的金屬周期性FSS結(jié)構(gòu)，其單元內(nèi)半徑r＝3.3mm，縫寬w＝0.6mm，單元按正方形排列，周期為10mm，中心頻率為13.5GHz，如圖2所示。將所設(shè)計(jì)的FSS與吸波材料組合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)Fig.3 Composite FSS absorbing structure

利用譜域法對(duì)FSS復(fù)合方式分別進(jìn)行了吸波特性仿真，F(xiàn)SS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)與吸波材料的反射特性對(duì)比曲線如圖4所示；它們的共振頻率、共振頻率反射率和-5dB帶寬的對(duì)比見(jiàn)表2。

圖4 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)特性與吸波材料特性對(duì)比Fig.4 Correlation curve of composite FSS absorbing structure with characteristics of absorbingmaterials

從圖4可以看出，與單純吸波材料相比，加載FSS共振頻率向高頻方向漂移，5.2GHz位置處出現(xiàn)最強(qiáng)吸收，但共振反射率和吸收帶寬都有顯著提高，-5dB處吸收帶寬由1.2GHz增加到3.05GHz。

表2 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)與吸波材料特性的對(duì)比Tab.2 Correlation of composite FSS absorbing structure w ith characteristics of absorbing materials

3.2 FSS單元尺寸對(duì)吸波材料吸波特性的影響

通過(guò)改變環(huán)孔尺寸進(jìn)行共振頻率調(diào)節(jié)，其復(fù)合吸波材料的反射特性對(duì)比曲線如圖5所示，其共振頻率、共振頻率反射率及-5dB帶寬對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)的反射特性隨單元尺寸的變化Tab.3 Changes of reflectivities of composite FSS absorbing structure w ith unit sizes

圖5 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)的反射特性隨單元尺寸變化對(duì)比Fig.5 Reflectivities of composite FSS absorbing structure with different unit sizes

由此可見(jiàn)，隨環(huán)孔半徑的增加，吸波結(jié)構(gòu)的共振頻率向低頻漂移，共振頻率反射率增加，相應(yīng)地-5dB帶寬減小，但仍明顯優(yōu)于單純吸波材料。

3.3 FSS排布周期對(duì)吸波材料吸波特性的影響

通過(guò)改變單元周期進(jìn)行共振頻率調(diào)節(jié)，其復(fù)合吸波材料的反射特性對(duì)比曲線如圖6所示，其共振頻率、共振頻率反射率及-7 dB帶寬對(duì)比結(jié)果如表4所示。

圖6 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)的反射特性隨單元周期變化對(duì)比Fig.6 Reflectivities of composite FSS absorbing structure with different unit cycles

可見(jiàn)，隨單元周期的增加，吸波結(jié)構(gòu)的共振頻率向高頻漂移，共振頻率反射率降低，相應(yīng)地-7dB帶寬略有增加。

表4 FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)的反射特性隨單元周期的變化Tab.4 Changes of reflectivities of composite FSS absorbing structure w ith unit cyles

4 結(jié)論

本文研究了FSS結(jié)構(gòu)對(duì)吸波材料吸波特性的影響，并設(shè)計(jì)了環(huán)孔單元FSS。利用譜域法對(duì)FSS復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了仿真研究，并與雷達(dá)吸波材料的特性進(jìn)行了對(duì)比，給出了單元尺寸和單元周期對(duì)同一材料吸波特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，利用FSS可以明顯改善吸波材料涂層的吸波性能，拓展涂層的吸波帶寬；增加圓環(huán)單元尺寸有利于提高共振反射率，但吸收帶寬相應(yīng)縮小；增加單元排布周期有利于增加吸收帶寬，但吸收強(qiáng)度降低?？傊?，利用FSS可以明顯改善吸波材料涂層的吸波性能，為進(jìn)一步提高吸波材料的低頻吸波性能提供了一種切實(shí)可行的途徑。

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Influence of ring FSS on im proving characteristics of radar absorbing materials

WANG Jian-bo，XIAO Hong-liang，CHEN Gui-bo，CHEN Xin-yi，SUN Guan-cheng，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

A ring-unit FSS is designed and put into absorbing materials to form the composite FSS absorbing structure，then the structure is numerically simulated through the spectral domain approach.The reflection coefficient of the structure at amicrowave band in 2-16 GHz is calculated and the influence of ring-unit′s sizes and aligning cycles on absorbing characteristics is studied.The results show thatwhen the ring-unit FSS′s unit spacing is 10mm and unit size is 3.3mm，the resonance frequency reflectivity decreases from-8.15 dB to -14.5 dB，and the absorbing band with whose reflectivity is larger than-5 dB broadens from 1.2 GHz to 3.05 GHz.Meanwhile，the resonance frequency reflectivity increaseswith the increasing of ring-unit size，and the absorbingmaterial′s bandwidth expandswith the expansion of unitaligning cycles.Experimental results indicate that the FSS can be used in absorbingmaterials to improve its absorbing properties.Moreover，the required composite FSS absorbing structure can be obtained by adjusting the corresponding parameters，which expands the application scope of FSS in absorbingmaterials.

Frequency Selective Surface（FSS）；obsorbing material；spectral domain approach；absorbing bandwidth

國(guó)家教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（No.20092216120005）

1674-2915（2010）03-0296-05

TB34；O451

A

2010-03-16；

2010-05-13

汪劍波（1978—），男，吉林長(zhǎng)春人，講師，主要從事薄膜物理與器件，頻率選擇表面的設(shè)計(jì)與研究。

E-mail：wangjianbo@126.com