基于圖形設(shè)計(jì)的吸波材料表面波衰減特性研究

朱亞光,張 珊,王 蕾,蔡長旭,陸海鵬

(電子科技大學(xué) 國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心,四川 成都 611731)

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展,通過外形隱身和材料隱身已經(jīng)能夠有效地控制現(xiàn)代飛行器等武器裝備的鏡面散射,而邊緣、縫隙、材料突變等因素導(dǎo)致的非鏡面散射就變得不可忽視,其中表面波散射是非鏡面散射中的重要組成部分,抑制表面波是進(jìn)一步降低RCS 的有效手段。19 世紀(jì)90 年代,德國物理學(xué)家Sommerfeld[1]最先發(fā)現(xiàn)表面電磁波的存在,自此開啟了表面波研究的熱潮。

隨著對表面波的探索,很多關(guān)于表面波的研究集中在對其激勵(lì)和傳輸特性的分析上,Ling[2]、Ufimtsev[3-4]和趙伯琳[5-6]等對表面波的基本特性進(jìn)行了分析,包括傳播常數(shù)、衰減、相位等,還推導(dǎo)了表面波衰減的經(jīng)典色散方程。黃毅[7]通過改變吸收劑的填充比、球磨時(shí)間等觀察衰減常數(shù)變化規(guī)律。盡管對表面波的研究已經(jīng)開展了一百多年,但關(guān)于改變表面波的衰減性能研究較少。陳海燕等[8]在經(jīng)典色散方程的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了有條件限制的表面波雙層色散方程,隨后通過加載電阻膜[9]和磁性薄膜[10]來改善表面波衰減性能。對于加載周期型結(jié)構(gòu)的衰減性能研究更鮮有報(bào)道,黃大慶等[11]使用頻率選擇表面與吸波涂層結(jié)合,研究了不同頻率點(diǎn)的表面波衰減性能變化,但使用RCS 變化判斷表面波衰減的方法每次只能計(jì)算單個(gè)頻點(diǎn)。因此需要計(jì)算全頻段表面波衰減值的方法,對加載周期結(jié)構(gòu)的寬頻帶表面波衰減性能進(jìn)一步研究。

本文依據(jù)色散方程理論,利用磁性吸波材料分析了材料電磁參數(shù)對表面波衰減性能的影響,并設(shè)計(jì)圖案化結(jié)構(gòu)與吸波材料相結(jié)合,使用反演法得到等效參數(shù)計(jì)算全頻段表面波衰減的變化,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善衰減性能,為雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)寬頻帶高表面波衰減提供了設(shè)計(jì)思路。

1 表面波的衰減計(jì)算

1.1 單層介質(zhì)表面波衰減計(jì)算

基于Ufimtsev 等[2]對表面波的特性開展的一系列研究工作,其中表面波衰減的計(jì)算通過建立平面模型分析得到表面波的經(jīng)典色散方程:

式中:k0是自由空間的波數(shù);ε和μ分別是吸波材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率;d為材料厚度。利用色散方程,在已知材料的電磁參數(shù)、厚度的情況下可計(jì)算得到表面波衰減值。

1.2 圖形單元結(jié)構(gòu)表面波衰減計(jì)算

由于不能通過仿真計(jì)算圖案化結(jié)構(gòu)的表面波衰減常數(shù),因此采取將周期型結(jié)構(gòu)等效為均勻介質(zhì),首先使用CST 仿真得到周期結(jié)構(gòu)的S11和S21參數(shù),進(jìn)而使用反演法[12]代入公式可求得波阻抗Z和折射系數(shù)n:

得到最終的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為:

最后將計(jì)算出的等效電磁參數(shù)帶入色散方程進(jìn)行計(jì)算,即可得出此結(jié)構(gòu)的表面波衰減。

2 單層吸波材料的表面波衰減性能分析

根據(jù)表面波衰減計(jì)算公式,研究了單層吸波介質(zhì)的厚度和電磁參數(shù)對表面波衰減性能的影響。所設(shè)頻率范圍為0～12 GHz,計(jì)算得到衰減常數(shù)的結(jié)果如圖1～2,可以看出衰減隨著頻率增加先達(dá)到最大值,然后逐漸降低達(dá)到零點(diǎn),最后變?yōu)樨?fù)值。負(fù)數(shù)形式的表面波衰減系數(shù)意味著在這些頻率點(diǎn),表面波無論以何種角度入射均不可能被激勵(lì)產(chǎn)生,衰減達(dá)到零點(diǎn)的頻率稱為上限截止頻率[2]。

2.1 厚度對表面波衰減的影響

本文計(jì)算討論了厚度分別為1.5,2,2.5,3 mm吸波材料的衰減性能,如圖1 所示,可以看出隨著厚度的增加,同一頻段的衰減性能并不是隨之增強(qiáng)的,其衰減峰向低頻移動(dòng)同時(shí)峰值不斷增大,但最大截止頻率不斷減小,衰減帶寬不斷變窄。綜合折中考慮,使用厚度為2 mm 的吸波材料進(jìn)行后續(xù)的研究分析。

圖1 不同厚度吸波材料的衰減對比Fig.1 Attenuation comparison of absorbing materials with different thicknesses

2.2 電磁參數(shù)對表面波衰減的影響

接下來通過改變四個(gè)電磁參數(shù)中一個(gè)參數(shù)來對比分析該參數(shù)變化對衰減的影響,該參數(shù)變化比例為0.5 倍,1 倍,1.5 倍,2 倍,利用色散方程計(jì)算的結(jié)果如圖2。由圖2(a)可以看出隨著單層吸波材料介電常數(shù)實(shí)部的減小,衰減峰向高頻移動(dòng),衰減峰值不斷增大,上限截止頻率變大;圖2(b)中介電常數(shù)虛部對衰減影響不明顯,衰減峰值只會(huì)隨其增大略微減小;但磁導(dǎo)率實(shí)部對衰減影響顯著,隨著實(shí)部的增大衰減峰值不斷增大,上限截止頻率增大,如圖2(c)所示;由圖2(d)可知隨著磁導(dǎo)率虛部的增大,衰減峰向低頻移動(dòng)且截止頻率減小,上限截止頻率減小。

圖2 材料的電磁參數(shù)變化對衰減的影響。(a) 改變介電常數(shù)實(shí)部;(b) 改變介電常數(shù)虛部;(c) 改變磁導(dǎo)率實(shí)部;(d) 改變磁導(dǎo)率虛部Fig.2 Effects of changes in electromagnetic parameters of the material on attenuation.(a) Change real part of permittivity;(b) Change imaginary part of permittivity;(c) Change real part of permeability;(d)Change imaginary part of permeability

因此可以得出結(jié)論:厚度會(huì)影響表面波衰減性能,低頻衰減性能會(huì)隨厚度的增大有所改善。介電常數(shù)實(shí)部會(huì)影響衰減峰值和上限截止頻率,虛部影響不大;磁導(dǎo)率實(shí)部增大對衰減峰值和截止頻率都有明顯改善,虛部會(huì)影響其上限截止頻率。

3 吸波結(jié)構(gòu)的表面波衰減性能分析

上文研究了單層吸波材料的衰減特性,其材料參數(shù)會(huì)對其衰減性能產(chǎn)生一定影響,接下來在該材料的基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)觀察其衰減性能變化。

3.1 蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及衰減性能分析

蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu)的基本單元如圖3 所示,其由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成,分別是底層金屬底板、中間磁性介質(zhì)層以及最上層金屬方環(huán)圖案。其中金屬底板和金屬圖案均使用電導(dǎo)率為5.8×108S/m 的銅,頂層圖形單元是一個(gè)類似蛇形圈的金屬圖案。通過不斷調(diào)節(jié)確定最終的結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)構(gòu)單元周期為p=6 mm,豎條長度為l=0.8 mm,依次減小r=0.1 mm,橫條長度為y=0.3 mm,豎條和橫條寬度w=0.1 mm,介質(zhì)層厚度為h=2 mm,金屬厚度為t=0.017 mm。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the unit cell

討論加載結(jié)構(gòu)對衰減的影響,使用等效參數(shù)計(jì)算了該結(jié)構(gòu)的表面波衰減。由圖4 可見加載結(jié)構(gòu)后表面波衰減出現(xiàn)了兩個(gè)峰,同時(shí)高頻峰向高頻移動(dòng),上限截止頻率增大,從4 GHz 提高到8 GHz,但峰值減弱。

圖4 材料與結(jié)構(gòu)的衰減對比Fig.4 Attenuation comparison of the material and the structure

3.2 改進(jìn)型蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及衰減性能分析

在蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將中間磁性介質(zhì)層由完整的磁性單元材料變?yōu)橥谌ブ虚g方環(huán)部分,挖空至金屬底板,形成改進(jìn)型蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu),形成過程如圖5。挖去的方環(huán)結(jié)構(gòu)外環(huán)長度a=2.7 mm,內(nèi)環(huán)長度b=1.9 mm。改進(jìn)型結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。

圖5 結(jié)構(gòu)的形成過程Fig.5 Schematic diagram of the structure formation process

圖6 改進(jìn)型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the optimized unit cell

分析此種結(jié)構(gòu)的衰減變化,由圖7 可見,與蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu)相比,改進(jìn)型蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu)的高頻峰向高頻移動(dòng),同時(shí)峰值增大,上限截止頻率進(jìn)一步增大,使上限截止頻率從6 GHz 提高到8 GHz。改變結(jié)構(gòu)周期,將等效參數(shù)帶入色散方程可得p在6～15 mm 范圍內(nèi)變化的表面波衰減常數(shù),從圖8 中可見隨著結(jié)構(gòu)周期的增大,衰減峰向低頻移動(dòng),上限截止頻率減小,同時(shí)峰值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。因此可以得出結(jié)論:利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)可使衰減性能產(chǎn)生一定改變,通過合理設(shè)計(jì)可進(jìn)一步改善表面波衰減性能,有望利用此方式實(shí)現(xiàn)寬頻范圍的高衰減性能。

圖7 兩種結(jié)構(gòu)的衰減對比Fig.7 Attenuation comparison of two structures

圖8 吸波材料不同周期的衰減對比Fig.8 Attenuation comparison of absorbing materials with different patterns

4 結(jié)論

本文通過分析不同厚度和不同電磁參數(shù)的吸波材料表面波衰減性能,發(fā)現(xiàn)并不是材料厚度越大衰減性能越好,四個(gè)電磁參數(shù)對表面波衰減都有一定影響;將圖案化結(jié)構(gòu)與吸波材料相結(jié)合可在不改變厚度的情況下改變表面波衰減性能。本文設(shè)計(jì)了一種蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu),使衰減上限截止頻率從4 GHz 拓寬到6 GHz,但峰值減弱。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將中間磁性介質(zhì)層挖孔,設(shè)計(jì)出一種改進(jìn)型蛇形圖案吸波結(jié)構(gòu),將衰減上限截止頻率進(jìn)一步拓寬到8 GHz,衰減峰值也得到了提高。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的參數(shù),并可通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改善衰減性能,進(jìn)一步增強(qiáng)表面波衰減性能,從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍的高衰減性能。