一種基于有源頻率選擇表面的可調(diào)吸波體特性分析

曾憲亮，張麟兮，萬國賓

西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072

0 引 言

隨著新型雷達探測設(shè)備以及反艦導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，水面艦船的防空和生存能力將面臨更大的挑戰(zhàn)。電磁隱身技術(shù)的應(yīng)用可有效降低艦船的信號特征，實現(xiàn)隱身效果，進而提升艦船的戰(zhàn)場生存力和綜合效能。因此，對電磁隱身技術(shù)的深入研究在現(xiàn)代軍事發(fā)展中具有十分重要的意義和價值[1-2]。

基于頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)的吸波體可在寬頻帶內(nèi)將入射電磁波有效吸收，從而大幅度減小目標(biāo)結(jié)構(gòu)的反射特性[3-6]。近幾年來，國內(nèi)外有學(xué)者針對此問題開展了研究。例如，惠憶聰?shù)萚5]設(shè)計了一種由電阻型FSS和磁性材料結(jié)合的新型吸波體模型，通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，引入集總電阻元件可進一步拓展吸波帶寬，在8～15 GHz頻段內(nèi)實現(xiàn)良好的吸波性能。Zabri等[7]提出了一種六邊形環(huán)狀單元的電阻膜型FSS吸波體，通過嵌套4個不同大小的六方環(huán)構(gòu)成組合單元，實現(xiàn)了7.8～24 GHz寬頻帶內(nèi)的吸波效應(yīng)。Ghosh等[8]設(shè)計了一種被稱為電路模擬吸波體的寬帶雷達吸波結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要由上層加載有集總電阻元件的雙方環(huán)和底層同樣加載有電阻的單方環(huán)組成，進而利用各層在不同頻段的諧振效應(yīng)實現(xiàn)寬頻帶吸波效果，其最終反射率低于-10 dB的相對帶寬可達到114.4%，可工作于C，X和Ku波段。

然而，上述研究中無論是集總元件還是電阻膜加載構(gòu)成的FSS吸波體，在設(shè)計完成后其工作頻帶、吸波性能等參數(shù)都將固定不變，難以較好地應(yīng)用于多變的復(fù)雜電磁環(huán)境中。因此，研究人員將有源器件加載到FSS吸波體中，逐漸形成了一類新的吸波結(jié)構(gòu)——有源頻率選擇表面(active frequency selective surface, AFSS)吸波體，這種結(jié)構(gòu)通過改變外界施加的激勵，能夠?qū)崿F(xiàn)對吸波性能的動態(tài)調(diào)控[9-11]。目前，在AFSS吸波體的諸多研究方法中，主要采用全波仿真分析、等效電路理論等方法，尚缺乏對電磁波在多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時的理想吸波效果與電磁波幅度相位間關(guān)系的研究。

本文擬提出一種基于PIN二極管加載的AFSS吸波體，當(dāng)改變提供給二極管的正偏電流時，吸波體的反射系數(shù)隨之改變。為此，將采用多反射干涉理論驗證電磁波在該吸波體中傳播時，在理想吸波情況下電磁波的幅度和相位條件，并將原理樣件置于微波暗室內(nèi)展開測試分析，以得到AFSS吸波體在增加PIN二極管后的反射率特性。

1 單元模型與仿真結(jié)果

1.1 結(jié)構(gòu)模型

本文所提AFSS吸波體的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。該單元的上層為含有PIN二極管的AFSS結(jié)構(gòu)，主要由2個反向的錨型金屬圖案構(gòu)成，PIN二極管加載在中間位置；第2層為支撐AFSS的介質(zhì)層Arlon AD 250C，其相對介電常數(shù)εr1=2.5，損耗正切tanδ1=0.001 3；第3層為泡沫隔離層，介電常數(shù)和損耗正切分別為εr2=1.01，tanδ2=0.005，此處，選擇厚度較大、介電常數(shù)較小的泡沫作為隔離層可有效提升結(jié)構(gòu)的工作帶寬[12]；底層為全覆蓋的金屬背板。圖1中，E，H和k分別為入射電磁波的電場、磁場和波矢方向。單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如表1所示。

圖 1 AFSS吸波體單元結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Unit cell of the proposed AFSS absorber

表 1 AFSS吸波體物理尺寸Table 1 Physical dimensions of the proposed AFSS absorber

1.2 仿真結(jié)果

利用全波電磁仿真軟件CST對上述提出的模型進行仿真。將AFSS單元四周設(shè)置為周期性邊界條件，模擬無窮大周期結(jié)構(gòu)；激勵端口設(shè)置為平面電磁波，垂直照射到AFSS吸波體表面，電場極化方向沿中間金屬條帶方向。由于底層為金屬背板，電磁波無法透射，因此反射率即可反映吸波體結(jié)構(gòu)的吸波性能。在二極管類型方面，本文選取了NXP BAP 70-03二極管，將PIN二極管等效為一個電阻值隨正向電流的增大而逐漸減小的可變電阻；全波仿真中，在正向?qū)ǖ那闆r下，將PIN二極管設(shè)置為一定電阻值的集總元件模型。圖2所示為二極管不同等效電阻時AFSS吸波體在2～10 GHz頻段內(nèi)相應(yīng)的反射率仿真結(jié)果。

圖 2 AFSS吸波體反射率仿真結(jié)果Fig. 2 Simulated reflectivity of the proposed AFSS absorber

由仿真結(jié)果可見，當(dāng)PIN二極管等效電阻變化時，AFSS吸波體的反射率隨之改變。這是因為電阻的變化改變了AFSS結(jié)構(gòu)的輸入阻抗特性，進而使得反射率產(chǎn)生變化；在PIN二極管等效電阻逐漸增大的過程中，獲得的反射率結(jié)果低于-10 dB的頻帶范圍可連續(xù)覆蓋2.6～7.5 GHz。

圖3給出了不同等效電阻加載下AFSS吸波體在相應(yīng)諧振頻點的表面電流圖。圖中，箭頭表示電流方向，顏色深淺表示電流幅度（單位：A/m）。由圖可見，在入射電磁波照射下，表面感應(yīng)電流主要分布在金屬條帶上，匯聚后流經(jīng)中心PIN二極管加載處。另外，加載了不同數(shù)值大小的電阻，將不同程度地改變表面的電流路徑，而且AFSS吸波體結(jié)構(gòu)的諧振吸波頻率也會隨之改變，從而實現(xiàn)反射率的頻率響應(yīng)隨PIN二極管不同狀態(tài)變化的調(diào)控效果。二極管的等效電阻效應(yīng)則可以通過歐姆損耗將入射電磁波的能量轉(zhuǎn)化為熱能，進而有效降低AFSS吸波體的反射率。本文設(shè)計的錨型金屬AFSS圖案有利于表面感應(yīng)電流的匯聚，可以實現(xiàn)良好的吸波效應(yīng)。

為進一步說明PIN二極管的歐姆損耗效應(yīng)，圖4給出了仿真結(jié)果，由圖可見二極管貢獻的功率損耗占總輸入電磁波能量的比例。此結(jié)果說明：在2.6～7.5 GHz頻帶內(nèi)，二極管損耗了入射電磁波的大部分能量；另外，在不同等效電阻情況下，損耗占比和所處頻段均有不同，且其特性與圖2中對應(yīng)的反射率結(jié)果幾乎完全一致。這表明，AFSS吸波體的低反射率特性是PIN二極管等效電阻產(chǎn)生歐姆損耗導(dǎo)致的結(jié)果。

圖 3 AFSS吸波體表面的電流分布Fig. 3 Surface current distributions of the proposed AFSS absorber

圖 4 總能量中的二極管損耗占比Fig. 4 The ratio of loss from diode to the total energy

2 理論分析

多層結(jié)構(gòu)中，電磁波在不同結(jié)構(gòu)分界面處將產(chǎn)生反射和透射，結(jié)構(gòu)的總體電磁特性由不同傳播路徑的電磁波疊加而成。因此，在分析多層結(jié)構(gòu)時，本文利用了多反射干涉理論展開研究，可以較深入地探討理想吸波效應(yīng)的物理機理[13]。圖5所示為多反射干涉理論分析模型。假設(shè)AFSS層和金屬背板的厚度均為0，與工作波長和介質(zhì)厚度相比，可忽略不計，并可將自由空間與吸波體分為2個區(qū)域和2個界面，即入射電磁波的來波自由空間區(qū)域1和吸波體介質(zhì)層構(gòu)成的區(qū)域2，以及AFSS層所處的界面1和介質(zhì)與金屬背板的分界面2。此處，為簡便考慮，本文將Arlon和泡沫層這2種介質(zhì)等效為一種組合介質(zhì)來展開分析。

圖 5 多反射干涉理論模型Fig. 5 The model of multi-reflection interference theory

式中：β=nk0，為介質(zhì)中的波數(shù)，其中k0表示自由空間的波數(shù)，n表示介質(zhì)的折射率；d為從界面1到金屬背板界面2的電磁波有效傳播路徑長度，d=t·cos(arcsin(sinα/(ε2/ε1)1/2))，其中t為介質(zhì)層的物理厚度，ε1和ε2分別為區(qū)域1和區(qū)域2的相對介電常數(shù)。利用微波技術(shù)中二端口無損耗網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)性質(zhì)[14]：(θ12+θ21)-(φ12+φ21)=±π，則式（1）可以進一步改寫為

式中，φ21-π-2βd為在區(qū)域2內(nèi)相鄰兩次電磁波在界面1處的反射相位差，為便于表示，這里采用一個新的變量γ來表示。若要使吸波體整體的反射系數(shù)S11=0，則由式（2）可知，必須同時滿足以下的幅度和相位條件：

式（3）和式（4）即為吸波體結(jié)構(gòu)理想吸波的幅度及相位條件。

為驗證上述結(jié)論，圖6相應(yīng)地給出了當(dāng)PIN二極管等效電阻為100 Ω時，仿真獲得的幅度和相位結(jié)果。由仿真計算結(jié)果可知，在5～6 GHz頻帶范圍內(nèi)，由散射參數(shù)計算的2種幅度響應(yīng)幾乎一致，且相位趨近于0°，即同時滿足上述的幅度和相位條件；對應(yīng)地，幅—相條件頁可反映圖2中AFSS吸波體在該頻帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出的低反射特性。

圖 6 利用多反射干涉理論計算的幅度和相位結(jié)果Fig. 6 The calculated magnitudes and phase using the interference theory

多反射干涉理論的特點是，在不含金屬背板的情況下，只需要知道電磁波在界面1處的反射系數(shù)和透射系數(shù)，即可計算出含金屬背板的吸波體結(jié)構(gòu)的整體反射率。為便于比較，將4種等效電阻狀態(tài)下由多反射干涉理論計算獲得的反射率與之前的仿真結(jié)果進行了比較，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，在加載不同等效電阻的情況下，仿真與計算結(jié)果的頻率響應(yīng)特性大致相同，僅在部分頻帶內(nèi)有較小的差距，這是因為采用干涉理論計算時并未考慮各層間的耦合效應(yīng)。總體上，采用多反射干涉理論可以有效地研究和分析本文所提出的AFSS吸波體反射率調(diào)控特性的問題。

圖 7 利用CST仿真和干涉理論計算的反射率結(jié)果Fig. 7 Reflectivity of the proposed absorber simulated by CST and calculated from the interference theory

3 測試結(jié)果

在實物加工與測試中，確立最終的仿真模型后，采用印刷電路板技術(shù)制備了上層附著于Arlon介質(zhì)的平板AFSS實驗樣件，如圖8(a)所示。實物樣件總共包含10×10個周期單元，上、下層金屬結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率為5.8×107S/m。整體結(jié)構(gòu)的物理尺寸為415 mm×415 mm，為中心頻率6 GHz對應(yīng)波長的8.3倍。在實測中，根據(jù)仿真模型，在上層AFSS樣件和底層金屬背板間添加了一層厚度為10 mm的泡沫層。每排10個單元中的二極管在串聯(lián)后，正、負極分別連接至左側(cè)和右側(cè)，由0.5 mm的細饋線最終匯總至板子下層集中饋電；由于采用串聯(lián)饋電，每排10個PIN二極管上流經(jīng)的電流相同，因此其所處狀態(tài)及等效電阻也完全相同，從而實現(xiàn)了良好的偏置控制。采用的PIN二極管型號為NXP BAP 70-03，當(dāng)其正偏電流從0.1 mA增加至100 mA時，等效電阻將從330 Ω逐漸減小至2 Ω。圖8(b)為反射率測試示意圖。在微波暗室內(nèi)，將樣件平板固定在轉(zhuǎn)臺上，收發(fā)天線與轉(zhuǎn)臺的距離滿足了測試要求的遠場條件。為減小背景雜波和環(huán)境等因素的干擾，在微波暗室內(nèi)和轉(zhuǎn)臺周圍放置有錐形吸波材料。

為獲得AFSS吸波體實物樣件的反射率，首先將同樣大小的金屬鋁板放置在轉(zhuǎn)臺上，測試此時的反射參數(shù)頻響，并作為校準(zhǔn)值，然后將實物樣件放置在相同位置，逐漸改變直流電源的電壓大小，其他條件均保持不變，測得每一個正向電壓下AFSS吸波體的頻響特性，并與金屬背板測試所得的反射參數(shù)作差，即為AFSS吸波體的反射率。圖9所示為最終測試結(jié)果，圖中標(biāo)注的電壓數(shù)值為10個PIN二極管串聯(lián)后的總電壓，因此每個二極管兩端的電壓變化范圍為0.55～0.7 V。

圖 8 AFSS吸波體樣件和反射率測試示意圖Fig. 8 Photograph of the fabricated AFSS absorber and reflection measurement setup

圖 9 AFSS吸波體反射率測試結(jié)果Fig. 9 Measured reflectivity of the proposed AFSS absorber

由測試結(jié)果可知，當(dāng)逐漸改變偏置電壓時，AFSS吸波體可在2.5～9.1 GHz頻帶內(nèi)保持較低的反射率。與仿真結(jié)果相比，測試的反射率在3.5～4.9 GHz時要略大于-10 dB，但均在-8.5 dB以下。測試結(jié)果顯示的調(diào)控趨勢和頻帶范圍基本與仿真結(jié)果一致，出現(xiàn)較小的誤差可能包括3個原因：一是PIN二極管人工焊接中產(chǎn)生的寄生效應(yīng)難以在仿真中真實體現(xiàn)；二是測試樣件的尺寸為有限大小，而仿真對象為無窮大的周期結(jié)構(gòu)；三是在實物加工和暗室測試過程中，人為的操作可能會帶來一定的誤差。

4 結(jié) 語

由PIN二極管加載的AFSS與含金屬背板的介質(zhì)組合，可構(gòu)成一種新型微波可調(diào)吸收體。通過改變加載到二極管兩端的偏壓狀態(tài)，利用不同阻抗?fàn)顟B(tài)下的歐姆吸波效應(yīng)，即可實現(xiàn)在2.5～9.1 GHz頻帶范圍內(nèi)對AFSS吸波體的反射率動態(tài)調(diào)控。本文設(shè)計的寬帶可調(diào)吸波體，在多頻復(fù)雜電磁環(huán)境下的武器裝備隱身設(shè)計中具有一定的參考價值和應(yīng)用前景。