超材料吸波體設(shè)計(jì)及其雷達(dá)散射截面分析

劉 濤 曹祥玉 高 軍 鄭秋容 楊歡歡

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077）

引 言

自從2008年Landy等人發(fā)表了題為“Perfect Metamaterial Absorber”［1］的文章后，基于超材料（metamaterial）的吸波體就引起了研究人員極大的興趣，新的吸波體不斷被提出，其電磁特性也不斷得到改進(jìn)，如改善入射角穩(wěn)定性［2-5］、極化穩(wěn)定性［5-7］、增加吸波頻帶（雙帶／多帶）［8-11］和擴(kuò)展吸波帶寬［12-16］。與文獻(xiàn)［17］-［19］提出的基于超材料的吸波體相比，此類新型吸波體最大的優(yōu)勢(shì)就是不需要加載集總電阻作為損耗層就可實(shí)現(xiàn)幾乎100%的吸波率，且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。它的工作機(jī)理就是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)metamaterial結(jié)構(gòu)，調(diào)控metamaterial結(jié)構(gòu)單元的磁諧振和電諧振，使ε（ω）=μ（ω），實(shí)現(xiàn)吸波體和自由空間的阻抗匹配，降低入射電磁波反射率，利用結(jié)構(gòu)單元的歐姆損耗和介質(zhì)損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)烈吸收。

吸波材料最顯著的應(yīng)用方向就是目標(biāo)隱身，但已有研究文獻(xiàn)都僅分析了此類新型吸波體的吸波特性，卻沒有具體分析吸波體的RCS特性。針對(duì)此問題，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、極化不敏感和寬入射角的超薄超材料吸波體，重點(diǎn)分析了不同極化平面波照射下其RCS特性。

1 吸波體結(jié)構(gòu)

超材料吸波體單元如圖1，上層金屬結(jié)構(gòu)是刻蝕交叉縫隙的貼片電諧振結(jié)構(gòu)，縫隙傾斜角為45°和135°，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使得對(duì)于任意極化方向的入射波都可產(chǎn)生諧振。下層金屬不做刻蝕，保留為完整的地平面，中間的介質(zhì)為FR4，介電常數(shù)4.4，電損耗角正切0.02，介質(zhì)厚度t=0.5mm.其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，周期p=9mm，方形貼片寬度w1=8mm，縫隙長(zhǎng)l=7.5mm，縫隙寬w2=1.6mm.

圖1 超材料吸波體單元

2 仿真分析

2.1 吸波特性

定義反射率R=｜S11｜2，透射率T=｜S21｜2，則吸波率A=1-｜S11｜2-｜S21｜2=1-R-T，S11為反射系數(shù)，S21為傳輸系數(shù)。由于圖1中材料的底層為金屬板，故沒有透射，即｜S21｜2=0，則A=1-｜S21｜2=1-R.仿真軟件采用基于有限元方法的HFSS12.0，模型采用主／從邊界和弗洛蓋端口來模擬無限周期單元。TE和TM極化的入射波隨入射角變化對(duì)吸波性能的影響如圖2（a）和（b）所示，可以看到，在不同極化波入射且入射角增大到60度情況下，吸波率保持在85%以上，最大達(dá)到了99.1%，雖然吸波率有所變化，但最大吸波頻點(diǎn)5.58GHz位置變化很小，表現(xiàn)了良好的極化穩(wěn)定性和入射角穩(wěn)定性。相比TE極化波，TM極化波具有更好的入射角穩(wěn)定性。垂直入射時(shí)吸波率在50%以上的帶寬有220MHz（5.46～5.68GHz）。整個(gè)結(jié)構(gòu)厚度只有約0.01λ，λ為5.58GHz的波長(zhǎng)。

為了較好地理解該結(jié)構(gòu)的吸波機(jī)理，我們分析了該結(jié)構(gòu)的相對(duì)等效阻抗z和折射系數(shù)n.相對(duì)等效阻抗z可由下式得到［20］

折射系數(shù)n為

式中:k為波數(shù)；t為吸波體厚度。由式（1）得到電磁波垂直入射條件下吸波體相對(duì)等效阻抗的實(shí)部和虛部曲線，如圖3所示，可以看到，在最大吸波率頻點(diǎn)5.58GHz時(shí)，吸波體相對(duì)等效阻抗的實(shí)部近乎為1，而虛部接近為0，表明該吸波體和自由空間有非常好的阻抗匹配，良好的阻抗匹配保證了在自由空間和吸波體界面處入射波反射很小。而由于S21=0，所以可以確定入射波被吸波體吸收，同時(shí)也表明吸波體折射系數(shù)的虛部非常大。同樣因?yàn)镾21=0，吸波體的等效折射系數(shù)n并不能通過式（2）直接計(jì)算求得，但折射系數(shù)與散射參數(shù)之間滿足下式［21］

設(shè)n（ω）=n1+in2，則式（3）可進(jìn)一步表示為

從式（4）可知，為了使右邊為0，折射率n的虛部n2應(yīng)當(dāng)非常大，這就保證了電磁波在吸波體中傳輸時(shí)被最大程度地吸收。

圖3 相對(duì)等效阻抗的實(shí)部和虛部

2.2 雷達(dá)散射截面特性

為了分析吸波體的RCS減縮特性，我們利用吸波體單元組成了一個(gè)10×10的平面陣，用平面波照射，仿真得到了其水平極化和垂直極化情況的單站RCS，并與同樣大小金屬板的單站RCS進(jìn)行了比較。單站RCS比較結(jié)果如圖4、5所示，圖6給出了5.58GHz垂直入射時(shí)金屬板和吸波體平板的空間電場(chǎng)分布。

圖4為不同頻率下垂直入射時(shí)水平極化和垂直極化RCS的比較。可以看到，兩種極化時(shí)RCS減縮效果差別不大，這也驗(yàn)證了該吸波體具有良好的極化穩(wěn)定性。在5.46～5.68GHz頻段內(nèi)吸波體平板相比金屬平板RCS減縮特別明顯，水平極化時(shí)最大減縮20.83dB，垂直極化時(shí)最大減縮18.44dB.

圖5為5.58GHz不同角度入射時(shí)水平極化和垂直極化的RCS比較。可以看到，兩種情況的RCS減縮效果也差別不大，進(jìn)一步驗(yàn)證了吸波體具有好的極化穩(wěn)定性。在-60°～+60°范圍的角度上，吸波體的水平極化和垂直極化RCS基本都小于金屬板的RCS，尤其在-10°～+10°的法向方向吸波體的RCS減縮最大，分別達(dá)到20.7dB和18.9dB，與圖4的RCS減縮值基本吻合，這也驗(yàn)證了吸波體具有寬的入射角。

由圖6可看到:吸波體平板的空間散射電場(chǎng)明顯小于金屬平板的散射電場(chǎng)，表明了吸波體具有良好的RCS減縮效果。

3 加工樣品及測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，我們使用普通的印制電路板技術(shù)加工了2×4個(gè)單元的吸波體實(shí)物驗(yàn)證單元的吸波性能，如圖7.由于加工單位材料所限，介質(zhì)的屬性與之前的仿真略有不同，介電常數(shù)改為4.1，損耗角正切為0.02.由于2×4個(gè)吸波體單元相對(duì)測(cè)試?yán)鹊目趶教。瑸榱吮ＷC測(cè)試精度，較為清晰地觀察吸波體的吸波性能，采用了波導(dǎo)法進(jìn)行測(cè)量［22］，即將與波導(dǎo)端口等大的材料置于波導(dǎo)端口上，并用螺絲固定，測(cè)量此時(shí)的S11，再根據(jù)吸波率的定義即可求出吸波率。饋電波導(dǎo)采用C波段的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)（國標(biāo)型號(hào):WJB-58），寬邊a=40.4mm，窄邊b=20.2mm，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為Agilent N5230C.

圖7 波導(dǎo)法實(shí)驗(yàn)配置

圖8所示為測(cè)量結(jié)果與重新仿真的結(jié)果（介質(zhì)屬性改為與實(shí)際加工的一致，并且仿真設(shè)置也與測(cè)量方法一致）對(duì)比，可以看出，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得非常好，表明交叉縫隙吸波體確實(shí)有良好的吸波效果，在5.75GHz時(shí)實(shí)測(cè)吸波率達(dá)到了98.8%.吸波率在50%以上的帶寬有220MHz（5.64～5.86GHz）。與最初仿真結(jié)果比較可以看到，介電常數(shù)的減小使得吸波體最大吸波頻點(diǎn)向高頻偏移了200MHz左右。

圖8 波導(dǎo)法測(cè)試與仿真結(jié)果比較

我們也測(cè)試了吸波體平面陣的吸波性能。為了減小測(cè)試誤差，吸波體平面陣實(shí)物和仿真模型大小略有不同，它由20×20個(gè)吸波體單元組成，如圖9（a）所示。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，只能通過單個(gè)寬帶單脊波導(dǎo)喇叭（1～18GHz）垂直照射吸波體面陣得到的反射系數(shù)曲線觀察吸波體對(duì)入射電磁波的吸收情況。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確，吸波體平面陣和天線之間的距離大于D2／λ以避免近場(chǎng)效應(yīng)，這里D為吸波體平面陣的最大橫向尺寸。把吸波體平面陣放置在距離喇叭天線約0.6m處，圖9（b）為實(shí)驗(yàn)配置示意圖，最終得到的喇叭天線反射系數(shù)曲線如圖10所示，可以看到:相比金屬板，在5.8GHz左右頻帶內(nèi)，喇叭天線照射吸波體平面陣的反射系數(shù)明顯要小，進(jìn)一步證實(shí)了吸波體對(duì)入射電磁波有良好的吸收效果。與波導(dǎo)法測(cè)試單元吸波性能相比，反射系數(shù)曲線受環(huán)境影響比較大，使得曲線不夠平滑。

4 結(jié) 論

基于超材料電磁諧振特性的“完美吸波體”是一類新型的吸波材料。本文設(shè)計(jì)了一種此類吸波體，相比已有吸波材料，它具有高吸波率、極化穩(wěn)定、寬入射角和超薄的特點(diǎn)，吸波率可達(dá)到99.1%，整個(gè)結(jié)構(gòu)厚度只有約0.01λ，且加工簡(jiǎn)單。通過對(duì)其RCS的詳細(xì)分析，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明該吸波體具有良好的RCS減縮效果，這有助于認(rèn)識(shí)此類新型吸波材料在電磁隱身領(lǐng)域的應(yīng)用潛力與優(yōu)勢(shì)。

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