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

隱身雷達系統(tǒng)在軍工競爭中起著至關(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雷達的潛在威脅［1］。傳統(tǒng)的雷達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截面（Radar Cross Section，RCS），但對于多基地雷達系統(tǒng)而言，其RCS仍然不會減少［2-3］。具有吸收／傳輸特性的頻率選擇雷達吸波體（Frequency selective Radome，F(xiàn)SR）由于其在雷達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?。FSR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)。

一個設(shè)計良好的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對①③兩種類型的FSR進行了研究，但對第②種類型研究不多。文獻［5］中設(shè)計了低頻吸收帶FSR，其吸收帶從3～9 GHz，其相對帶寬為100%。文獻［8］中設(shè)計了一種基于中心對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，相對帶寬為57%。

本文提出了一種超薄且吸波相對帶寬較寬的FSR結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有吸收波段低于通帶頻段。實現(xiàn)了具有超寬吸收帶，其吸收頻率為2.6～8.74 GHz，相對帶寬達到108%。同時在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應(yīng)的波長），厚度僅為0.08λ。實現(xiàn)了超薄、超寬帶FSR的設(shè)計。

1 FSR的設(shè)計與分析

1.1 FSR模型設(shè)計

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)均印制在型號為ROGERS4350B的介質(zhì)板上，其厚度為0.5 mm，相對介電常數(shù)ε＝3.66，電阻層中所選的電阻型號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，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π型結(jié)構(gòu)兩條腿邊的不同寬度，產(chǎn)生兩個諧振頻點來實現(xiàn)更寬的吸波頻帶。其中，f1處的第1個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)，用于實現(xiàn)在通帶頻率達到并聯(lián)諧振，達到切斷電阻層損耗電阻元件，實現(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入FSR，電磁波會穿過電阻層和FSS層。而電阻層中有電阻，因此，電阻片層的設(shè)計對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，以實現(xiàn)在通帶處的插入損耗最低。設(shè)計的FSR的上層通過巧妙的設(shè)計π形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)造出在通帶頻率時的并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)。

2 FSR的設(shè)計過程與仿真結(jié)果

2.1 FSR結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程

FSR的設(shè)計步驟如圖3所示。首先設(shè)計出基本的吸波體FSR＃1，通過設(shè)計型的結(jié)構(gòu)，實現(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)，在一個單元中設(shè)計4個“十”字縫隙結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)在高頻處通帶效果。

圖3 FSR設(shè)計步驟

圖4 FSR設(shè)計過程的散射曲線

由圖4可見，在FSR＃1-1中，在4.8 GHz時有一個諧振點，而FSR＃1-2中在7 GHz有一個諧振點。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兩個諧振點，可見，F(xiàn)SR＃2結(jié)構(gòu)的具有更寬的吸波帶寬。其主要原因是兩個諧振點疊加，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)計最優(yōu)的低吸高透FSR，通過仿真軟件優(yōu)化了π型腿長l1和方形邊長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。

圖6中通過優(yōu)化方形邊長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時達到最佳。其主要原因在于在l3＝4 mm時，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，此時結(jié)構(gòu)中阻抗較大，對有耗元件實現(xiàn)斷路，因此在通帶處實現(xiàn)較小的插入損耗。

圖5 不同l1值對散射曲線的影響

圖6 不同l3值對散射曲線的影響

通過仿真軟件優(yōu)化設(shè)計，實現(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，相對帶寬達到108%，吸波率在90%以上。同時，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FSR結(jié)構(gòu)的角度敏感性。由仿真曲線中可見，設(shè)計的FSR對在TE、TM極化波入射時角度不敏感，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)果對比

表2中列舉了參考文獻中設(shè)計的FSR，對通帶中心頻率、插入損耗（Inert Loss，IL）、－10 dB吸波帶寬及其相對帶寬、單元尺寸及單元結(jié)構(gòu)厚度進行了對比。

表2 FSR的仿真結(jié)果對比

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

3 結(jié) 語

本文提出了一種π型結(jié)構(gòu)頻率選擇雷達吸波體的設(shè)計方法。設(shè)計了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。每個單元結(jié)構(gòu)中設(shè)計4個“十”字縫隙結(jié)構(gòu)實現(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)計了單元尺寸為0.21λ×0.21λ（吸收帶的起始頻率對應(yīng)的波長），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，其相對帶寬達到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散射截面，具有較好的隱身功能。