一種超薄寬帶頻率選擇雷達吸波體的仿真設計

熊 杰，陳 嬌，蘭智高

(1. 黃岡師范學院物理與電信學院，湖北 黃岡 438000；2. 華中師范大學物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079)

1 引言

頻率選擇表面的研究有著悠久的歷史，可以追溯到20世紀70年代[1]。由于其強大的控制電磁波傳輸和反射的能力，它被廣泛應用于空間濾波器、微波偏振器，特別是隱身雷達罩[2]。用作雷達罩時，傳統(tǒng)的FSS通過反射帶外入射電磁波，以減小單站雷達散射截面(RCS)，但對于雙站雷達的散射截面仍然不會減小。

頻率選擇雷達吸波體(FSR)的概念首先在文獻[3]中被提到，它不僅具有一個用作通信的通帶，同時還具有一個通帶之外的吸收帶。為了實現這一特定功能，在以前的文獻中提出了二維和三維結構[2-11]。FSR設計的核心目標是同時滿足吸收帶寬和具有較低插入損耗的傳輸帶。在文獻[4]中，設計了一種小型化的吸收頻率選擇體. 其10dB吸波段的帶寬從3.93到8.07GHz，相對帶寬為69%。在文獻[5]中，設計了低頻吸收帶設計FSR，其吸收帶從4.8到6.81GHz，其相對帶寬為34.6%。在文獻[6]中，設計了一種三維FSR的設計，其10dB吸收帶為11.1-18GHz，帶寬為47%。

與以往的研究工作相比，本文提出了一種新的二維FSR結構，該設計具有超寬吸收帶，吸收頻率從5.8GHz到14.7GHz，相對帶寬達到86.8%。同時在2.17GHz產生通帶，其插入損耗為0.43dB，單元尺寸為0.19λ*0.19λ(λ：吸收帶的起始頻率對應的波長)，兩片襯底基板之間的厚度僅為4 mm，實現了小型化、超薄、超寬帶FSR的設計。

2 FSR的設計與分析

2.1 FSR模型設計

所提出的FSR如圖所示1(a)。它由一個位于上層的有損電阻層和一個位于底層的無損頻率選擇表面(FSS)。這兩種結構都印在Rogers4003c襯底上，其相對介電常數為3.55，厚度為0.8mm。該FSR的上層設計了一個工字形結構與方形結構組合結構，其集總電阻串接在方形環(huán)邊上。其底層的無損FSS層是十字縫隙結構，電容并聯在金屬貼片上，用作2.17 GHz的帶通濾波器。 表1列出了FSR的其它相關參數。

圖1 (a)FSR的三維視圖(b)損耗層(c)無耗層

表1 FSR的單元尺寸(以毫米為單位)

2.2 FSR模型等效電路分析

為了更好的理解所設計的FSR，其等效電路模型如圖2所示。等效電路圖中Z1和Z2分別圖為損耗層和無損層的阻抗分別用Z1和Z2表示。對于損耗層分支Z1， L1等效為工字形豎直邊電感，C1等效為工形結構形成電容；L3等效為方形結構長邊電感，C3為方形結構細隔板與邊長之間產生的電容；L2，C2分別為長邊上不包含電阻的邊與隔板形成的電感和電容。用電容C5等效為相鄰單元在電場方向上的耦合電容。在無損層中，L4表示貼片的電感。電路參數為：L1=0.01nH； C1=0.5pF； L2=0.44nH； C2=0.23pF； L3=1.93nH； C3=0.06pF； L4=4.2nH； C4=1.2pF； C5=0.09pF； R1=100Ω。

圖2 FSR等效電路

根據傳輸線理論，等效電路可通過ABCD矩陣來表示[8]

(1)

(2)

其中θ=βh，h為上下兩層間距，β=2/λ，λ為自由空間波長。根據ABCD矩陣，可知傳輸系數分別為：

(3)

(4)

當FSR工作在傳輸帶時，要求其傳輸系數|S21|=1，反射系數|S11|=0。根據公式可知，當Z2為無窮大時，即無耗層在通帶處產生并聯諧振時，其阻抗為無窮大，因此，在通帶處可對|S21|進行簡化，即

(5)

根據式(5)可知，當Z1趨近于無窮大時可使|S21|=1滿足條件。由于入射電磁波射入FSR時，會經過上層的損耗層，而損耗層中有耗能元件，因此，為了降低插入損耗，則要求有耗層和無耗層都需要在通帶頻率處產生并聯諧振，以達到通帶處全部透射。設計的FSR的上層通過巧妙的設計工字形結構與方形結構組成，構造出在通帶頻率時的并聯諧振結構。

當FSR工作在吸波帶時，要求其傳輸系數|S21|=0，反射系數|S11|=0，即入射電磁波進入FSR后，既不透射，也不反射，電磁波全部被FSR吸收。此時，由于吸收帶頻率遠離通帶頻率，無耗層此時可等效為金屬平面，其主要功能是對電磁波進行反射。根據傳輸線理論，若在吸波帶阻抗虛部為0，而僅有實部，且此時的實部為集總電阻的話，可實現最佳吸波效果。通過等效電路可知，要想使阻抗虛部為0，有兩種情況。第一種情況是Z1的虛部為0，第二種情況是Z1的虛部與兩層之間的等效阻抗Zr的虛部相加等于0。因此，正是因為這種情況，通過調節(jié)參數，可實現通過在吸波帶中設計兩個鄰近的吸波諧振頻率來達到寬帶吸波的效果。

通過HFSS2019仿真軟件和ADS2019軟件分別對所設計的FSR結構和FSR的等效電路進行仿真。其仿真結果如圖3所示，對比仿真結果與等效電路仿真結果，可以看到兩種曲線具有相同的趨勢。因此，前面通過等效電路的分析是可行的，并對實際調試FSR有指導作用。

圖3 FSR仿真結果與其等效電路的S參數

3 FSR的仿真結果與分析

3.1 FSR結構的通帶頻率仿真

根據前面等效電路的分析可知，FSR結構的通帶頻率主要是由底層的無耗層來實現。而并聯諧振頻率由式(6)可知，諧振頻率與電感和電容值有關。由于該設計尺寸較小，電感值已固定，主要通過調節(jié)電容值來進行通帶頻率的調節(jié)。

(6)

圖4中顯示通過調節(jié)C1得到的不同的傳輸系數和透波系數。從圖中可知，調節(jié)C1，對透波頻率有較大影響，而對吸波沒有影響。改變C，其諧振頻率發(fā)生改變，且隨著電容C的增加，諧振頻率往低頻偏移。

圖4 同電容值的FSR的S參數仿真結果

3.2 FSR結構的吸波效果仿真

有耗層中在吸波帶中起到重要作用，通過調節(jié)電阻R1的值從而可以調整吸波帶吸波效果。通過圖5中可以看出，電阻越大，吸波效果越好，但電阻越大，傳輸帶的插入損耗也偏大。結合傳輸帶與吸波帶綜合考慮，電阻值選100Ω。

圖5 正常入射條件下不同電阻值的FSR的S參數仿真結果

3.3 FSR結構的角度穩(wěn)定性

圖6 TE極化波不同入射角度S曲線

在實際應用中，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6、圖7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 °，45 °時FSR結構的角度敏感性。從仿真曲線中可以看出，設計的FSR對在TE極化波入射時角度不敏感，在角度45°仍能保持較好的透波和吸波效果。

圖7為TM極化波入射時，不同入射角度下FSR吸波性能，從圖中可知，當入射角度為45 °時吸波性能變差，吸波帶寬變窄。分析其原因，可能是由于在有耗層中電阻的不對稱造成的原因。

圖7 TM極化波不同入射角度S曲線

3.4 FSR結構的吸波率

通過調節(jié)集總電容、電阻以及FSR單元各個尺寸參數，最終仿真結果在圖8中進行顯示。從圖中可以看出，傳輸帶的-3dB帶寬從2.08GHz到2.25 GHz，其插入損耗僅為0.43dB。對于吸波帶而言，在|S11|≤-10dB的吸波段覆蓋范圍從5.8 GHz到14.7 GHz，其相對帶寬達到86.8%。

圖8 FSR的S參數及其吸波率

4 結論

本文提出了一種新型的具有超寬吸收帶寬的FSR設計方法。通過在十字縫隙中加載集總電容，獲得在2.17GHz的通帶頻率，具有0.43dB的插入損耗。設計了工形結構與方形結合的損耗層，即能滿足傳輸帶低插損的要求，又能滿足超寬吸波的要求。論文中采用等效電路的方法對比FSR結構，并解釋其設計原理。設計的FSR裝置體積小，單元尺寸為0.19λ×0.19λ(吸收帶的起始頻率對應的波長)，兩介質板的間距僅有4mm。吸收帶的|S11|≤-10dB吸波帶寬從5.8GHz到14.7GH，其相對帶寬達到86.8%。該FSR通過吸收帶外的入射電磁波能夠降低雙基站雷達散射截面，具有較好的隱身功能。