基于阻抗加載的吸波體設(shè)計與性能分析

易 波，陸奇敏，何 靚

(解放軍78118部隊(duì)，四川 成都 61000)

0 引 言

艦船、導(dǎo)彈、飛機(jī)等戰(zhàn)斗單元在戰(zhàn)場上有著舉足輕重的作用，減小它們的雷達(dá)散射截面積(RCS)有助于提升其在戰(zhàn)場上的突防和生存能力[1]。結(jié)構(gòu)隱身和吸波隱身是縮減RCS的兩種有效途徑[2]。結(jié)構(gòu)隱身原理是將雷達(dá)探測波反射到非入射方向，但隨著多基雷達(dá)的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)隱身效果大打折扣。吸波隱身原理是將雷達(dá)探測波吸收，并轉(zhuǎn)化為其他形式的能量(如熱能)。理想吸波體的工作特性如圖1所示，通帶內(nèi)的電磁信號能夠無損耗穿透吸波體，保證與外界正常通信的需求；通帶外的電磁信號則被吸收，縮減了RCS[3]。

圖1 理想吸波體工作特性

超材料吸波體因其剖面薄、重量輕、易調(diào)節(jié)、吸波帶寬寬等特征吸引了廣大學(xué)者的目光[4]。本文在分析具有傳輸通帶吸波體電路原理基礎(chǔ)之上，設(shè)計了一款具有傳輸通帶的吸波體，并利用喇叭天線驗(yàn)證了其傳輸與吸波特性。

1 具有傳輸通帶吸波體的等效電路分析

具有傳輸通帶的吸波體通常由3層結(jié)構(gòu)組成：阻抗層、介質(zhì)基板層以及帶通層[5]。阻抗層由具有阻抗特性的薄膜或者電阻加載周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成，等效電路為電阻R、電感L和電容C串聯(lián)；介質(zhì)基板等效電路為特性阻抗ZC一段電路；帶通層等效電路為電感L和電容C并聯(lián)電路。將3層結(jié)構(gòu)等效電路串聯(lián)，可得具有傳輸通帶的吸波體的等效電路如圖2所示[6]。

圖2 具有傳輸通帶的吸波體等效電路圖

吸波體的傳輸矩陣可以用3層結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣相乘得到：

(1)

式中：Mr表示阻抗層傳輸矩陣；Mt表示介質(zhì)基板傳輸矩陣；Mp表示帶通層傳輸矩陣。

當(dāng)介質(zhì)基板介電常數(shù)近似等于空氣時，分析傳輸矩陣公式可得：增加阻抗層頻率選擇表面(FSS)諧振頻率與傳輸通帶中心頻率之間的距離，可提升傳輸通帶傳輸效率[7]。

2 具有傳輸通帶吸波體設(shè)計

本文所設(shè)計的具有傳輸通帶的吸波體結(jié)構(gòu)如圖3所示。帶通層采用小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計，目的是增加阻抗層諧振頻率與帶通層諧振頻率之間的距離，提升通帶傳輸效率。加載電阻主要用于阻抗匹配和吸收電磁波[8]。阻抗層和帶通層通過低介電常數(shù)與低損耗正切的PMI泡沫相連，PMI泡沫具有支撐與阻抗變換作用。所設(shè)計的具有傳輸通帶吸波體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 具有傳輸通帶的吸波體結(jié)構(gòu)示意圖

按表1給出的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在CST電磁仿真軟件建立單元仿真模型，邊界設(shè)置為unit cell，求解器選擇頻域求解器，仿真中使用介電常數(shù)為1.17、損耗正切為0.000 3@10 GHz的介質(zhì)替代PMI泡沫，仿真得到的傳輸和反射系數(shù)如圖4所示。

表1 傳輸通帶吸波體結(jié)構(gòu)參數(shù)表(mm)

圖4 具有傳輸通帶吸波體傳輸和反射系數(shù)

從圖4可以看出，在1.87 GHz處具有傳輸通帶，插損小于0.5 dB，吸波帶(傳輸系數(shù)和反射系數(shù)小于-10 dB)為9.1 GHz到20 GHz以上。

吸波帶性能主要決定于介質(zhì)層厚度、阻抗加載層諧振頻率等多個因素[9]。圖5給出了吸波體在不同介質(zhì)層厚度所對應(yīng)的傳輸和反射系數(shù)，從圖5可以看出，介質(zhì)層越厚，反射系數(shù)下降越快，即吸波帶出現(xiàn)在更低頻率，但是吸波帶帶寬也隨之變窄。

圖5 不同介質(zhì)層厚度對應(yīng)傳輸和反射系數(shù)

圖6給出了吸波體不同外環(huán)尺寸所對應(yīng)的傳輸和反射系數(shù)。從圖6可以看出，外環(huán)尺寸越大，諧振頻率越低，吸波體起始位置越向下偏移，但吸波帶帶寬也會越小。

圖6 不同外環(huán)尺寸對應(yīng)傳輸與反射系數(shù)

對帶通層結(jié)構(gòu)的傳輸特性進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖7所示。對比圖4～圖7可以發(fā)現(xiàn)，吸波體通帶特性與傳輸系數(shù)起伏形狀主要由帶通層決定。因此，當(dāng)需要改變傳輸通帶頻率與傳輸系數(shù)起伏時，僅需改變傳輸層結(jié)構(gòu)即可。

圖7 帶通層結(jié)構(gòu)傳輸系數(shù)

3 RCS縮減特性分析

選擇喇叭天線作為研究對象，利用CST對吸波體的吸波特性進(jìn)行仿真。仿真結(jié)構(gòu)如圖8所示，入射波的入射角度為45°。對比加載吸波體前后RCS變化(如圖9所示)，驗(yàn)證吸波體的吸波特性。

圖8 吸波體在CST中仿真結(jié)構(gòu)

圖9 吸波體在不同頻率下的縮減特性

圖9仿真結(jié)果表明，加載吸波體的喇叭天線在電磁波輻照下，散射波明顯降低，特別是入射場方向回波，表明所設(shè)計吸波體具有較好的吸波特性，能夠達(dá)到RCS縮減效果。

圖10展示了通帶內(nèi)電磁波入射時，電磁波反射和入射情況。從圖10可看出，通帶內(nèi)信號基本穿透吸波體，被喇叭天線所接收，即吸波體對通帶內(nèi)信號的影響較小。

圖10 通帶信號入射時加載吸波體的喇叭天線RCS特性

4 結(jié) 論

本文針對重要武器平臺RCS縮減與正常通信需求，設(shè)計了一款阻抗加載的吸波體。所設(shè)計吸波體保留了與外界通信窗口(1.87 GHz)，同時具有寬吸波帶(9.1～20 GHz)。隨著吸波體結(jié)構(gòu)的不斷完善，新應(yīng)用不斷開發(fā)，該類吸波體將具有廣泛的應(yīng)用前景。