吳啟迪，李 雪，尹昱晴，王靜涵，何 姍，徐 娟

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引 言

雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）是衡量目標對入射電磁波散射能力的一個重要物理量，是雷達探測、目標識別、隱身與反隱身研究的重要基礎(chǔ)[1]。雷達隱身技術(shù)的主要目的就是降低目標的雷達散射截面[2]。如今，RCS已成為評價作戰(zhàn)時反偵察實力的主要指標，低RCS的裝備能大幅度提升地面目標的作戰(zhàn)與生存功能。對于在天線上加載的吸波結(jié)構(gòu)，首要的是確保對天線的性能影響較小，或是不產(chǎn)生惡劣影響?，F(xiàn)階段，對于雷達散射截面的縮減方法大致可以分為兩種，一種是利用隱身涂層來進行RCS的縮減，但這種方法極有可能會影響飛行器的氣動布局，而且隱身涂層也較為昂貴，花費巨大；另一種是設(shè)計吸波結(jié)構(gòu)，普遍采用頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS）來實現(xiàn)RCS縮減的功能。

FSS可以把電磁波反射到敵方探測不到的非危險區(qū)域，以此來減小雷達的散射截面，從而達到隱形的目的[3]。但是針對FSS天線罩的反隱身技術(shù)也高速發(fā)展，目標在敵方探測下的非危險區(qū)域逐漸縮小，單純的FSS也就無法達到現(xiàn)在所需的隱身條件[4]。在未來戰(zhàn)場上，這一缺陷必將被無限放大，因此人們針對這一缺點進行了廣泛研究。人工電磁超表面被提出用于RCS的縮減，然而必須通過特定的排列才能使單元之間的相位達到180°的相位差，從而實現(xiàn)縮減RCS的功能。而吸波、透波一體化的FSS無需進行特定的排列，僅憑單元就能實現(xiàn)RCS的縮減。由于其既能在特定頻率接收或傳輸信號，又能夠在一定的頻段吸收任何方向的來波，因此能夠在保證工作頻率透波的情況下達到帶外吸波的效果[5]。二維頻選吸波體（Frequency Selective Rasorber，F(xiàn)SR）經(jīng)過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計能產(chǎn)生更大的吸波帶寬，比涂覆式表面吸波材料性能更為優(yōu)良，而且還能夠通過設(shè)定頻率選擇性表面的構(gòu)造與參數(shù)靈活地設(shè)定為不同的吸收波段，因此可以被廣泛應(yīng)用在電磁波吸附的不同場合。

本文提出一種工作在毫米波波段、雙側(cè)吸波、中間透波的二維雙環(huán)形FSR，通過在貼片金屬表面加載適當參數(shù)的電阻元件完成對特定頻率電磁波的吸收，并在工作頻率內(nèi)完成吸收、輻射以及吸收的頻率劃分。

1 頻率選擇表面吸波體基本理論

1.1 FSR簡介

FSR結(jié)構(gòu)是由FSS和電路模擬吸波體（Circuit Analog Absorber，CAA）基于結(jié)構(gòu)設(shè)計的吸波體，在通帶和吸收帶范圍內(nèi)可以實現(xiàn)阻抗匹配，通過選取適當?shù)募傇?shù)值以及空氣填充厚度，最終達到理想的結(jié)構(gòu)特性[6]。FSR可以分為無通帶吸波體和有通帶吸波體兩大類，其中無通帶吸波體通常包括窄帶吸波體和寬頻吸波體，而有通帶吸波體則通常包括單側(cè)吸波體和雙側(cè)吸波體[7]。從結(jié)構(gòu)維度上劃分，F(xiàn)SR也可分為兩類。第一類是二維FSR，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、易于制造且成本較低，但穩(wěn)定性較差；第二類是穩(wěn)定性好、頻率選擇性高，但制造難度大、成本高的三維FSR。三維FSR結(jié)構(gòu)加工并不簡單，而且測量誤差也較大，應(yīng)用并不廣泛。二維FSR卻因為其構(gòu)造更加簡化、設(shè)計更加靈活多樣等優(yōu)勢被普遍使用。

1.2 FSR結(jié)構(gòu)模型與等效電路分析

二維FSR通常由頂部電阻層、中間介質(zhì)基板以及底部帶通FSS構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。其中，最頂部電阻層主要擔負電磁波的吸收任務(wù)，常由金屬結(jié)構(gòu)和高耗器件所組成。底部則主要用來透射電磁波，同時為電阻層提供反射帶，一般采用帶通特性的頻率選擇表面。電阻層與頻率選擇表面層都印刷在高頻工作介質(zhì)板上，且兩層之間透過空氣相隔，其間距約為實際工作波長的1/4[8]。二維FSR的吸波原理是入射電磁波在有損表面的反射波與通過介質(zhì)層入射到金屬地板后形成的反射波之間的傳播路徑存在1/2波長差，二者相互作用可產(chǎn)生抵消效果，使入射電磁波反射率較低[9]。

圖1 FSR模型

圖2為二維FSR模式的等效電路結(jié)構(gòu)，其中Z1和Z2分別是吸波層與頻率選擇表面層的特征電阻，而Z0則是自由空間的波阻抗，Zh是介質(zhì)板與兩板間間隙的混雜阻抗。

圖2 FSR等效電路

可由傳輸線理論得出FSR等效電路的矩陣結(jié)構(gòu)為：

老年冠心病非心臟手術(shù)應(yīng)激會在一定程度上損傷患者心肌，影響患者康復(fù)。有研究證實，不同麻醉方式及藥物可影響患者術(shù)中血流動力學(xué)的穩(wěn)定性，顯著降低患者術(shù)中心肌細胞的缺血缺氧損傷[5]。右美托咪定是高選擇性α2腎上腺素能受體激動藥,激活中樞藍斑突觸，通過負反饋抑制交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，降低中樞和外周去甲腎上腺素的釋放，減慢心率，同時降低心臟負荷與心肌耗氧，從而改善心肌的氧供需平衡[6]。七氟醚是常用的吸入性麻醉藥，具有擴張外周血管、減輕心臟后負荷、改善心肌順應(yīng)性的作用，能減輕圍術(shù)期心肌細胞的缺血缺氧性損傷[7]。

式中：θ=2π/h；h為兩個介質(zhì)板的間隙厚度；Zr為吸收層特性阻抗；ZF為FSS層特性阻抗。由式（1）中的A、B、C、D得反射系數(shù)|S11|和傳輸系數(shù)|S21|分別為：

當FSR在通帶工作時，其反射系數(shù)|S11|為0，傳輸系數(shù)|S21|為1。當FSR工作于吸波帶時，在理想情形下要求反射系數(shù)|S11|為0，傳輸系數(shù)|S21|也為0，即要求吸波率A為A=1-|S11|2-|S21|2=1，達到優(yōu)秀的吸波效果。

2 設(shè)計實例

2.1 FSR模型設(shè)計

基于上述的基本理論，提出了一款二維雙側(cè)FSR，其三維結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。該結(jié)構(gòu)由兩部分組成，分別為頂部損耗性的吸波層和底部非損耗性的透波層，上、下兩層具體結(jié)構(gòu)分別如圖3（b）和圖3（c）所示。透波層為方環(huán)縫隙型結(jié)構(gòu)，組成具有帶通特性的頻率選擇表面，在中心頻率附近實現(xiàn)透波，產(chǎn)生一個通帶，而在帶外的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)反射特性。頂層由內(nèi)外兩個分別加載不同集總電阻的環(huán)型金屬貼片組成（標注為數(shù)字的部分是加載的集總電阻），通過加載集總電阻的環(huán)形金屬貼片產(chǎn)生兩個吸收帶，對帶外的信號進行吸收。外側(cè)圓形環(huán)在中心頻率左側(cè)形成一個低頻吸收帶，對低頻信號進行吸收，而內(nèi)側(cè)齒輪形環(huán)在中心頻率右側(cè)形成一個高頻吸收帶，對高頻信號進行吸收。集總電阻用lump RLC邊界條件模擬，能夠最大程度模擬出加載集總電阻時單元結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的電磁特性。邊界條件的具體參數(shù)見表1，兩層結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)材質(zhì)都是銅，介質(zhì)基板采用相對介電常數(shù)εr=3.0，損耗角正切為0.001 3的Rogers RO3003，介質(zhì)基板的厚度t=0.127 mm。兩層結(jié)構(gòu)之間被空氣填充，其他具體相關(guān)參數(shù)見表2。

表1 lump RLC邊界參數(shù)

表2 雙環(huán)形FSR的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 雙環(huán)形FSR結(jié)構(gòu)

該FSR吸波體的等效電路如圖4所示。位于底層的縫隙型頻率選擇表面作為透射層以實現(xiàn)對入射波選擇性的通過，縫隙部分可以等效為電容C3，縫隙外側(cè)的金屬貼片部分可以等效為電感L3，由于頻率選擇表面中心部分金屬貼片等效的電感十分微弱，在分析時可忽略，因此底層縫隙型頻率選擇表面等效為電容C3和電感L3的并聯(lián)。頂層的吸波層由2個加載集總電阻的貼片金屬環(huán)組成，R1、R2分別為外金屬環(huán)和內(nèi)金屬環(huán)上加載的電阻，C1為2個金屬環(huán)之間縫隙等效而成的等效電容，L1為外金屬環(huán)等效成的等效電感，L2為內(nèi)金屬環(huán)等效成的等效電感。Z0則是自由空間的波阻抗，Zh是介質(zhì)板與兩板間間隙的混雜阻抗。

圖4 雙環(huán)形FSR的等效電路結(jié)構(gòu)

2.2 仿真分析

為分析該雙環(huán)型FSR單元結(jié)構(gòu)的特性，用全波仿真軟件HFSS對所設(shè)計的FSR單元結(jié)構(gòu)進行仿真模擬。在將電磁波垂直入射時，該FSR單元結(jié)構(gòu)中S參數(shù)的仿真結(jié)果如圖5所示，通帶中心頻率為39.8 GHz。在39.8 GHz處，透射系數(shù)的值為-0.27 dB，即在此頻率下的插入損耗僅為0.27 dB。將透射系數(shù)大于-2 dB部分定義為阻帶，則阻帶為36.6～42.3 GHz。反射系數(shù)和透射系數(shù)均小于-10 dB的頻段為29.3～31.4 GHz和47～50.6 GHz，在該吸波頻段內(nèi)存在兩個諧振點，分別位于 30.4 GHz和 48.7 GHz。

圖5 雙環(huán)形FSR的S參數(shù)

針對諧振頻點30.4 GHz、48.7 GHz處以及非吸波頻點39.8 GHz處在TE模式下的電流分布，對吸波原理進行進一步的分析，如圖6所示?？梢钥闯觯斨C振頻率為30.4 GHz時，電流較多地分布在外部的金屬圓環(huán)、內(nèi)部的齒輪形金屬圓環(huán)以及加載在兩金屬圓環(huán)的集總電阻上。由此可見，幾個部分共同作用增加了有效電長度，使得諧振頻率向低頻移動，并在30.4 GHz附近形成了低頻吸波帶。當諧振頻率為48.7 GHz時，電流僅分布在內(nèi)部的齒輪形金屬圓環(huán)及內(nèi)部加載的集總電阻上，單元結(jié)構(gòu)的有效電長度大大減小，因此頻率向高頻方向移動，在48.7 GHz處產(chǎn)生了諧振點，并在此諧振頻率附近形成了高頻吸波帶。在30.4 GHz和48.7 GHz處，表面電流在集總電阻上分布較強，故電阻可以消耗更多能量，在通帶的兩側(cè)形成兩個吸波帶；而在39.8 GHz處，電阻上分布的電流較弱，因此也就無法實現(xiàn)吸波特性。

圖6 雙環(huán)形FSR表面電流分布

吸波體的性能優(yōu)劣一般使用吸收率A進行評估，定義反射率R為|S11|2，透射率T為|S21|2，則吸收率為A=1-R-T=1-|S11|2-|S21|2。同時，考慮到實際應(yīng)用的需要，電磁波并不是僅從垂直方向入射，因此也要考慮到不同角度入射的FSR吸收性能的變化，因而角度穩(wěn)定性也是衡量吸波性能的重要指標，性能良好的吸波體能在入射角度變化時依然保持吸波性能的穩(wěn)定。圖7（a）和圖7（b）分別顯示了雙環(huán)形FSR在TE和TM極化模式下，入射角度從0°增加到40°時的吸收率A和透射率T的變化曲線。

圖7 雙環(huán)形FSR在不同極化模式下不同角度電磁波入射時的吸收率

從圖7可發(fā)現(xiàn)，極化方式和入射角度發(fā)生變化時，通帶的透射率T幾乎沒有改變，因此該FSR單元結(jié)構(gòu)對于極化方式和入射角度不敏感。通帶在TM極化模式下比較平穩(wěn)，在TE極化模式下，通帶的透射率T略有降低，但均維持在0.9以上，最高處達到了0.97。TE極化時，隨著入射角逐漸變大，單元結(jié)構(gòu)的工作頻率逐漸向較高頻率處偏移，單元結(jié)構(gòu)工作頻率的透射率T隨著入射角度的增加稍有降低，通帶帶寬略微減小，但總體性能依然保持不變，吸收率與TM極化模式下大致相同，均維持在0.9以上，最高處達到了0.95。

由圖7（a）可以看出，當入射角度逐漸由0°增加至40°，通帶中心頻點逐步向高頻移動，由39.8 GHz變?yōu)?0.2 GHz，而通帶頻段由36.6～42.3 GHz變?yōu)?7.4～42.3 GHz，帶寬略微降低；位于通帶左側(cè)的吸收帶，其吸波率A達到0.8以上，吸波頻段從29～31.6 GHz變?yōu)?8.5～31.5 GHz；位于通帶右側(cè)的吸收帶，其吸波率A達到0.8以上，吸波頻段從46.7～51 GHz變?yōu)?5.7～51.6 GHz，兩吸收帶的吸收帶寬略微擴寬。隨著入射角度的增加，兩側(cè)吸收帶中吸波率A最高的諧振頻點逐漸向低頻方向偏移，吸波帶寬不斷增大，且均能達到0.9以上，吸波性能良好，所設(shè)計結(jié)構(gòu)角度穩(wěn)定性較強。TM極化時，隨著入射波入射角度的不斷增大，通帶中心頻率逐漸降低，單元結(jié)構(gòu)工作頻率處的透射率T逐漸變大。當入射角度逐漸由0°增加至40°時，兩側(cè)吸收帶中吸收率A最高的頻點逐漸降低，吸波帶寬不斷減小；左側(cè)吸波帶的吸波率A達到0.8以上的吸波頻段從28.9～31.5 GHz變?yōu)?8.9～30.5 GHz；右側(cè)吸波帶的吸波率A達到0.8以上的吸波頻段從46.8～50.7 GHz變?yōu)?6.4～49.1 GHz。且當入射角度為40°時，在高頻段會出現(xiàn)吸波率突降，導(dǎo)致吸波帶寬下降較多。表3總結(jié)了雙環(huán)形FSR結(jié)構(gòu)在不同極化、不同角度入射電磁波照射下的傳輸、吸波性能變化。

表3 雙環(huán)形FSR在不同極化方式與入射角度下的吸波性能

3 結(jié) 論

本文提出了一種二維雙側(cè)FSR，其中心頻率為39.8 GHz，最低插入損耗僅為0.27 dB，通帶頻率為36.6～42.3 GHz，相對帶寬為14.3%，整體單元結(jié)構(gòu)由底層帶通型頻率選擇表面與頂層嵌套式吸波結(jié)構(gòu)構(gòu)成。該FSR的底層是一個方形縫隙FSS，用來在中心頻率形成通帶，同時反射帶外信號。頂層利用兩個加載集總電阻的環(huán)形金屬貼片形成了頻帶范圍在29～31.6 GHz和46.7～51 GHz的吸收率大于80%的雙吸收帶，吸收帶中入射波的能量被加載至金屬圓形貼片中的集總電阻所耗散。由于其具有軸對稱和中心對稱結(jié)構(gòu)，F(xiàn)SR表現(xiàn)出良好的角度穩(wěn)定性，在0～40°的入射角度下性能穩(wěn)定，對入射角度和極化方式不敏感，具有良好的應(yīng)用價值和市場價值。