張 彪 陳 樂 孫惠敏 顧兆栴

（南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023）

文 摘 針對傳統(tǒng)蜂窩吸波材料在低頻段吸波效果差的特點，設(shè)計了一種蜂窩內(nèi)壁加載回字形導(dǎo)線的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)。這種回形線組合成的二維陣列本身是一種磁導(dǎo)率近零的頻率選擇表面。采用的蜂窩吸波結(jié)構(gòu)高度為30 mm，吸波涂層厚度0.024 2 mm。仿真結(jié)果表明，加載回形線的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)相較原蜂窩，在0.4～2 GHz 內(nèi)出現(xiàn)吸收峰，<-10 dB 帶寬增加10%～50%，并且在入射角0°～60°內(nèi)具有良好的吸波穩(wěn)定性。可通過調(diào)節(jié)回形線的幾何參數(shù)與材料方阻，實現(xiàn)吸低頻收峰位置與帶寬的調(diào)控。

0 引言

蜂窩吸波結(jié)構(gòu)是一種典型的結(jié)構(gòu)型吸波材料，其質(zhì)量輕、熱導(dǎo)率低兼具良好的力學(xué)性能和吸波性能，應(yīng)用廣泛［1-3］。傳統(tǒng)的吸波蜂窩主要以芳綸紙蜂窩為骨架，浸漬碳系或磁性金屬微粉等具有復(fù)電磁參數(shù)的吸波涂料，使入射電磁波在蜂窩腔體內(nèi)進(jìn)行多次散射損耗，從而實現(xiàn)優(yōu)異的寬頻吸波效果。隨著雷達(dá)探測領(lǐng)域的不斷發(fā)展，P 波段、L 波段等低頻吸波性能較差已成為制約蜂窩吸波材料應(yīng)用的瓶頸問題。針對傳統(tǒng)吸波材料在P 波段與L 波段吸波效果的明顯短板，僅僅從材料學(xué)的角度，通過研發(fā)新型吸收劑來實現(xiàn)超寬頻吸波同時兼顧低頻段吸波效果，近年來已愈發(fā)困難。

鑒于此，許多學(xué)者提出利用電磁超材料良好的低頻吸波性能，將傳統(tǒng)吸波材料與超材料結(jié)合，以實現(xiàn)改善傳統(tǒng)吸波材料的低頻劣勢，拓展吸波帶寬［4-6］。本文以此目的，基于一種磁導(dǎo)率近零超材料［7-9］，設(shè)計復(fù)合蜂窩吸波結(jié)構(gòu)。

1 復(fù)合蜂窩吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合蜂窩吸波結(jié)構(gòu)由芳綸紙折疊拉伸成孔格邊長為c=2.75 mm 正六邊形周期蜂窩作為骨架，高度為h0=30 mm，如圖1所示，浸漬吸波涂料，其電磁參數(shù)如圖2所示。涂料理論厚度由增重得出：

式中，ρh為蜂窩表觀密度，ρhr為蜂窩壁真密度，c為蜂窩邊長；A為蜂窩增重。

所采用的回形線結(jié)構(gòu)單元線寬與線間距均設(shè)為w=0.2 mm，單元整體長度h=20 mm，采用2.5 匝螺旋結(jié)構(gòu)（圖3）。單元材料為銅，整體厚度為0.02 mm，寬2.6 mm。其本身陣列結(jié)構(gòu)具有磁導(dǎo)率近零特性，，反射系數(shù)為：

式中，d為陣列整體厚度，θ為電磁波入射角，k0為真空波數(shù)。

圖1 芳綸紙蜂窩骨架Fig.1 Aramid paper honeycomb

圖2 吸波涂料電磁參數(shù)Fig.2 Electromagnetic relative parameters of absorbing coatings

圖3 回形線單元Fig.3 Homocentric squares array element

將回形線結(jié)構(gòu)單元內(nèi)貼于蜂窩吸波涂層內(nèi)表面中間位置，使其長邊方向與蜂窩高度方向一致，如圖4、5所示。

圖4 復(fù)合蜂窩吸波結(jié)構(gòu)模型圖Fig.4 Model of composite honeycomb absorbing structure

圖5 復(fù)合蜂窩吸波結(jié)構(gòu)組分圖Fig.5 Constitutional diagram of composite honeycomb absorbing structure

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 超材料單元的加載對浸漬蜂窩的影響

首先利用基于有限元算法的CST 軟件，仿真得到未加載回形線結(jié)構(gòu)單元的純蜂窩結(jié)構(gòu)S11參數(shù)（反射系數(shù)）。后將所設(shè)計的復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)，在w=0.2 mm、h=20 mm 條件下以同樣的周期邊界條件進(jìn)行仿真計算，得到在該設(shè)定尺寸下復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)，與前文所述未加載回形線單元的純蜂窩反射系數(shù)進(jìn)行對比，從圖6可以看出，加載回形線結(jié)構(gòu)單元后，蜂窩吸波結(jié)構(gòu)在2.8 和8.8 GHz 處出現(xiàn)了明顯的諧振峰。

為了研究回形線單元在蜂窩中所處的位置對整體吸波性能的影響。將回形線單元由中間位置下移使其底邊與蜂窩地面重合，令w=0.2 mm，h=15、20 mm 進(jìn)行仿真，并與在相同w、h值的情況下，回形線單元加載于蜂窩中間位置的仿真結(jié)果進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)中間加載單元的蜂窩在0.4 GHz處出現(xiàn)吸收峰，而低端加載單元的蜂窩并無0～2 GHz 內(nèi)的吸收峰。分析認(rèn)為，低頻吸收峰出現(xiàn)的主要原因是回形線單元電磁諧振的結(jié)果，將單元置于蜂窩底端，其上方的反射層增厚，對低頻反射能力增大。

圖6 吸波蜂窩有無加載回形線單元S11對比Fig.6 S11 comparison of absorbing honeycomb loading homocentric squares array element or not

圖7 回形線單元不同加載方式S11對比圖Fig.7 S11 comparison of homocentric squares array element with different approaches

2.2 超材料單元面積對吸波性能的影響

回形線單元的面積同樣會對整體吸波性能產(chǎn)生影響。為此，選擇單元底端加載方式，設(shè)計兩種仿真方案：一是在w=0.2 mm 條件下，令h=10、20 mm 進(jìn)行仿真；二是在h=15 mm條件下令W=0.1、0.2 mm進(jìn)行仿真。得到S11曲線分別如圖8、9 所示，回形線面積主要影響的是高頻吸波性能，這是由于高頻吸波主要依賴吸波涂料，w和h的增加均會導(dǎo)致單元面積增大，進(jìn)而使得吸波涂料暴露面積減少，使其對電磁波的損耗降低。

圖8 單元長度對吸波性能的影響Fig.8 Effect of unit element length on absorbing performance

圖9 單元線寬對吸波性能的影響Fig.9 Effect of unit element linewidth on absorbing performance

2.3 有耗介質(zhì)超材料對吸波性能的影響

單元材料的導(dǎo)電性能是影響整體吸波性能的另一重要因素。圖10是在w=0.15 mm、h=15 mm 單元處于中間加載方式下，將單元材料的方阻設(shè)為R=0.05，5，500 Ω 時得到的S11仿真曲線。單元材料的方阻增大時低頻吸收峰向右移，高方阻使電磁波可穿透0.02 mm 厚度的單元層，此時回形線單元的存在對高頻吸波影響較少，內(nèi)部的有耗介質(zhì)反而對高頻吸波性能有幫助作用，但低頻諧振的效果降低。方阻為500 Ω 時，在0～2 GHz 內(nèi)無諧振峰出現(xiàn)，使用有耗介質(zhì)超材料將顯著影響復(fù)合蜂窩的低頻吸波性能，盡管理論上浸漬蜂窩本身與超材料陣列的吸波性能的發(fā)揮不應(yīng)完全獨立，兩者之間會存在耦合作用，但在復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中應(yīng)盡量保證超材料本身的低頻諧振性能。

圖10 單元材料方阻對吸波性能的影響Fig.10 Effect of square resistance of unit element materials on absorbing properties

2.4 復(fù)合蜂窩結(jié)構(gòu)大角度對吸波性能的影響

改變電磁波的入射角度進(jìn)行仿真，可以得到吸波結(jié)構(gòu)的大角度吸波性能。取入射角θ=0°、30°、60°，分別在TM 和TE 模式下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示如圖11、12所示，復(fù)合蜂窩吸波結(jié)構(gòu)具有良好的大角度吸波性能。

圖11 TM模式下不同入射角S11圖Fig.11 S11 of different incident angles in TM mode

圖12 TE模式不同入射角S11圖Fig.12 S11 of different incident angles in TE mode

3 結(jié)論

基于一種磁導(dǎo)率近零超材料，將其與吸波蜂窩材料進(jìn)行復(fù)合設(shè)計，利用CST 軟件進(jìn)行仿真，在0.4～2 GHz出現(xiàn)吸收峰，<-10 dB 帶寬平均增加20%，并且在入射角0°～60°內(nèi)具有良好的吸波穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)回形線的幾何參數(shù)與材料電導(dǎo)率，實現(xiàn)吸低頻收峰位置與帶寬的調(diào)控。驗證了傳統(tǒng)蜂窩吸波材料與超材料結(jié)合的可行性，拓展了傳統(tǒng)吸波材料研究思路。