一種π型結(jié)構(gòu)雷達(dá)吸波體的設(shè)計(jì)及仿真

熊 杰， 陳 嬌， 楊寶平， 蘭智高

（黃岡師范學(xué)院物理與電信學(xué)院，湖北黃岡 438000）

0 引 言

隱身雷達(dá)系統(tǒng)在軍工競(jìng)爭(zhēng)中起著至關(guān)重要的作用。頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）突出的頻率選擇性和空間濾波特性引起研究人員的廣泛興趣，并將它用于減小敵對(duì)雷達(dá)的潛在威脅［1］。傳統(tǒng)的雷達(dá)罩是將入射電磁波反射到其他方向，這樣雖然能夠減少單基地雷達(dá)截面（Radar Cross Section，RCS），但對(duì)于多基地雷達(dá)系統(tǒng)而言，其RCS仍然不會(huì)減少［2-3］。具有吸收／傳輸特性的頻率選擇雷達(dá)吸波體（Frequency selective Radome，F(xiàn)SR）由于其在雷達(dá)散射截面減少方面的巨大潛力而引起了越來越多的研究者們?nèi)ド钊胙芯俊SR通常是由電阻層和帶通頻率選擇性表面組成的多層二維周期性結(jié)構(gòu)。

一個(gè)設(shè)計(jì)良好的FSR不僅應(yīng)該吸收帶外入射電磁波，而且在其通帶內(nèi)具有較低的插入損耗。根據(jù)通帶和吸收帶的相對(duì)位置，可以將FSR分為3類：①通帶在吸收帶之下［3-4］；②通帶在吸收帶之上［5-8］；③通在吸收帶之間［9-10］。

現(xiàn)在有大量的研究文獻(xiàn)對(duì)①③兩種類型的FSR進(jìn)行了研究，但對(duì)第②種類型研究不多。文獻(xiàn)［5］中設(shè)計(jì)了低頻吸收帶FSR，其吸收帶從3～9 GHz，其相對(duì)帶寬為100%。文獻(xiàn)［8］中設(shè)計(jì)了一種基于中心對(duì)稱彎曲帶諧振器的吸收頻率選擇體，其10 dB吸波段的帶寬為6.1～10.98 GHz，相對(duì)帶寬為57%。

本文提出了一種超薄且吸波相對(duì)帶寬較寬的FSR結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有吸收波段低于通帶頻段。實(shí)現(xiàn)了具有超寬吸收帶，其吸收頻率為2.6～8.74 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到108%。同時(shí)在11.7 GHz產(chǎn)生通帶，其插入損耗為0.78 dB，單元尺寸為0.21λ×0.21λ（λ為吸收帶的起始頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)），厚度僅為0.08λ。實(shí)現(xiàn)了超薄、超寬帶FSR的設(shè)計(jì)。

1 FSR的設(shè)計(jì)與分析

1.1 FSR模型設(shè)計(jì)

通常，具有吸收／傳輸特性的FSR結(jié)構(gòu)由兩部分組成：位于頂部的電阻層和位于底部的帶通FSS，中間由空氣隔開，其三維結(jié)構(gòu)視圖如圖1（a）所示。這兩層結(jié)構(gòu)均印制在型號(hào)為ROGERS4350B的介質(zhì)板上，其厚度為0.5 mm，相對(duì)介電常數(shù)ε＝3.66，電阻層中所選的電阻型號(hào)R1＝R2＝250Ω，表1列出了FSR的其他相關(guān)參數(shù)。帶通FSS在傳輸帶工作，以便入射電磁波可以低插入損耗通過。在吸波帶工作頻率時(shí)，電阻片在帶通FSS的抑制帶內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)吸收功能。

FSR由方形環(huán)和一個(gè)π型結(jié)構(gòu)組成，電阻分別焊接在π型結(jié)構(gòu)的兩條腿邊中間。通過設(shè)計(jì)π型結(jié)構(gòu)兩條腿邊的不同寬度，產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)更寬的吸波頻帶。其中，f1處的第1個(gè)吸收帶歸因于方形環(huán)和π型結(jié)構(gòu)左邊腿的諧振。f2處的諧振頻率主要由方形環(huán)與π型結(jié)構(gòu)右邊腿及電R2的共同作用。在每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，底部的帶通FSS由十字縫隙結(jié)構(gòu)組成，在高頻處實(shí)現(xiàn)無損傳輸。在電阻層中，π型結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)可等效為兩組電感電容（LC）并聯(lián)結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)在通帶頻率達(dá)到并聯(lián)諧振，達(dá)到切斷電阻層損耗電阻元件，實(shí)現(xiàn)通帶處較小的插入損耗。

圖1 吸波體結(jié)構(gòu)圖

1.2 FSR模型等效電路分析

為更好地理解所設(shè)計(jì)的FSR，其等效電路模型如圖2所示。等效電路圖中Z1、Z2分別為電阻層和FSS層的阻抗。對(duì)于損耗層分支Z1、L1、L2分別等效為上下π型結(jié)構(gòu)左右腿銅片的電感，C1等效為上下π型結(jié)構(gòu)與方形環(huán)之間的電容；L3、C3分別為方形環(huán)等效電感和等效電容，L4、C4為左右π形結(jié)構(gòu)形成的電感與電容。用電容C6等效為相鄰單元在電場(chǎng)方向上的分布電容。在帶通FSS層中，L5表示貼片的電感，C5表示縫隙間的電容。

圖2 FSR等效電路

根據(jù)傳輸線理論，等效電路可通過ABCD矩陣來表示［5］：

由式4可知，由于Z0為自由空氣特征阻抗，阻值為377Ω，的值主要由Z1決定。當(dāng)Z1趨近于無窮大時(shí)可以得到插入損耗最小的完美傳輸帶（＝1）。由于入射電磁波是自向而下入射進(jìn)入FSR，電磁波會(huì)穿過電阻層和FSS層。而電阻層中有電阻，因此，電阻片層的設(shè)計(jì)對(duì)低插入損耗非常重要。為了降低插入損耗，則要求電阻層和頻率選擇表面層都需要在通帶頻率處產(chǎn)生并聯(lián)諧振來切斷能耗路徑，以實(shí)現(xiàn)在通帶處的插入損耗最低。設(shè)計(jì)的FSR的上層通過巧妙的設(shè)計(jì)π形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)造出在通帶頻率時(shí)的并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)。

2 FSR的設(shè)計(jì)過程與仿真結(jié)果

2.1 FSR結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程

FSR的設(shè)計(jì)步驟如圖3所示。首先設(shè)計(jì)出基本的吸波體FSR＃1，通過設(shè)計(jì)型的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較寬吸波帶寬的FSR＃2，在FSR＃2基礎(chǔ)上，加入通帶FSS，通帶FSS采用十字縫隙結(jié)構(gòu)，在一個(gè)單元中設(shè)計(jì)4個(gè)“十”字縫隙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在高頻處通帶效果。

圖3 FSR設(shè)計(jì)步驟

圖4 FSR設(shè)計(jì)過程的散射曲線

由圖4可見，在FSR＃1-1中，在4.8 GHz時(shí)有一個(gè)諧振點(diǎn)，而FSR＃1-2中在7 GHz有一個(gè)諧振點(diǎn)。FSR＃2為結(jié)構(gòu)FSR＃1-1與FSR＃1-2的組合，出現(xiàn)了3.2 GHz和8.4 GHz兩個(gè)諧振點(diǎn)，可見，F(xiàn)SR＃2結(jié)構(gòu)的具有更寬的吸波帶寬。其主要原因是兩個(gè)諧振點(diǎn)疊加，形成更寬的吸收帶。其中FSR＃1-1，F(xiàn)SR＃1-2為FSR＃1結(jié)構(gòu)中π型結(jié)構(gòu)分別只有一只腿工作。

為設(shè)計(jì)最優(yōu)的低吸高透FSR，通過仿真軟件優(yōu)化了π型腿長(zhǎng)l1和方形邊長(zhǎng)l3。散射曲線分別如圖5、6所示。

由圖5優(yōu)化FSR結(jié)構(gòu)中系數(shù)l1可見，改變l1長(zhǎng)度相當(dāng)于改變等效電路中電感L1的值，從而影響吸波諧振頻率，隨著l1增加，等效電感值增加，由

可知，其諧振頻率往低頻處移動(dòng)。

圖6中通過優(yōu)化方形邊長(zhǎng)l3的散射曲線可見，隨著l3的增加，吸波效果越好，但通帶內(nèi)的插入損耗在l3＝4 mm時(shí)達(dá)到最佳。其主要原因在于在l3＝4 mm時(shí)，方形結(jié)構(gòu)與FSR結(jié)構(gòu)左右兩邊π型結(jié)構(gòu)在通帶頻率形成并聯(lián)諧振，此時(shí)結(jié)構(gòu)中阻抗較大，對(duì)有耗元件實(shí)現(xiàn)斷路，因此在通帶處實(shí)現(xiàn)較小的插入損耗。

圖5 不同l1值對(duì)散射曲線的影響

圖6 不同l3值對(duì)散射曲線的影響

通過仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了具有超寬吸收帶，如圖7所示。其－10 dB吸收帶寬為2.6～8.74 GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到108%，吸波率在90%以上。同時(shí)，傳輸帶的－3 dB帶寬為10.7～12.2 GHz，在通帶中心頻率11.7 GHz處其插入損耗為0.68 dB。

圖7 優(yōu)化后FSR散射曲線及吸波率

2.2 FSR結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要保證入射電磁波在不同入射角度下能夠正常工作。圖8、9分別在TE極化波和TM極化波入射條件下，依次考慮入射角為0°、15°、30°時(shí)FSR結(jié)構(gòu)的角度敏感性。由仿真曲線中可見，設(shè)計(jì)的FSR對(duì)在TE、TM極化波入射時(shí)角度不敏感，在30°仍能保持良好的帶通和吸波效果。

圖8 TE極化下FSR的斜入射性能曲線

圖9 TM極化下FSR的斜入射性能曲線

2.3 FSR仿真結(jié)果對(duì)比

表2中列舉了參考文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)的FSR，對(duì)通帶中心頻率、插入損耗（Inert Loss，IL）、－10 dB吸波帶寬及其相對(duì)帶寬、單元尺寸及單元結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了對(duì)比。

表2 FSR的仿真結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比表2中Ref.數(shù)據(jù)可知，本次設(shè)計(jì)的FSR雖然插入損耗不是最低，但具有最大的相對(duì)帶寬、最薄的厚度。

3 結(jié) 語

本文提出了一種π型結(jié)構(gòu)頻率選擇雷達(dá)吸波體的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)了π型結(jié)構(gòu)與方形環(huán)結(jié)合的損耗層，既能滿足傳輸帶低插損的要求，又能滿足超寬吸波的要求。每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)4個(gè)“十”字縫隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在高頻處的通帶。分析了影響吸波效果和插入損耗的參數(shù)，最終設(shè)計(jì)了單元尺寸為0.21λ×0.21λ（吸收帶的起始頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)），兩介質(zhì)板的間距僅有0.08λ。吸收帶的－10 dB吸波帶寬為2.6～8.74 GHz，其相對(duì)帶寬達(dá)到108%。FSR結(jié)構(gòu)的通帶中心頻率為11.7 GHz，其插入損耗為0.8 dB。該FSR通過吸收帶外的入射電磁波能夠降低雙基站雷達(dá)散射截面，具有較好的隱身功能。