薄型寬頻帶復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

房新蕊 張文武 張清 房亮 張東亮

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省濟(jì)南市 250023）

隨著多層次、全方位、寬譜帶的立體電磁探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，基于傳統(tǒng)電磁吸波材料和外形設(shè)計(jì)的電磁波隱身技術(shù)已經(jīng)難以應(yīng)對(duì)將來(lái)對(duì)武器裝備的全方位隱身性能的需求，超寬帶雷達(dá)、米波雷達(dá)的發(fā)展對(duì)雷達(dá)吸波材料也提出了低頻、寬帶等要求。

電磁帶隙結(jié)構(gòu)(Electromagnetic Band-gap, EBG)是一種具有頻率帶隙的新型周期電磁結(jié)構(gòu)，因其同時(shí)具有表面波帶隙特性和平面波同相反射特性，已經(jīng)在微波領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用[1-4]。

傳統(tǒng)吸波材料通?；?Salisbury 屏原理設(shè)計(jì)，將損耗層放置在距離金屬表面 1/4 波長(zhǎng)處，有效地吸收入射電磁波[5-8]。如果底板為理想磁導(dǎo)體（Perfect magnetic conductor, PMC），就不再有 1/4 波長(zhǎng)厚度的限制，損耗層可以放在離底板很近的位置，實(shí)現(xiàn)超薄吸波結(jié)構(gòu)?；诖?，本文設(shè)計(jì)了電阻膜-EBG 復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)，并采用有限元算法分別對(duì)這種結(jié)構(gòu)的吸波特性進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。

1 吸波材料衰減機(jī)理

入射電磁波從自由空間照射在材料上，依據(jù)Maxwell 方程及邊界條件可知，當(dāng)電磁波垂直入射時(shí)，材料界面的復(fù)反射系數(shù)為：

圖1：復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)仿真示意圖

由此可見(jiàn)，要獲得性能優(yōu)良的吸波材料，必須綜合考慮阻抗匹配和衰減匹配2 種因素，尤其是材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和厚度參數(shù)等。

2 數(shù)值仿真分析

將集總電阻加載型EBG 吸波結(jié)構(gòu)與電阻膜進(jìn)行組合匹配，設(shè)計(jì)了如圖1 所示的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)。該復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)包括基于電阻膜的面層結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層、基于EBG 結(jié)構(gòu)的超薄介質(zhì)層及其金屬襯底。

如圖2 和圖3 所示，對(duì)該結(jié)構(gòu)中的電阻膜和EBG 單元參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，幾何參數(shù)為p=7.3mm，a1=0.81mm，方阻R1=500～800Ω/□；a2=1.72m，方阻R2=340～600Ω/□；a3=3.55mm，方 阻R3=150～300Ω/ □，h1=3.4mm，h2=2.5mm，h3=2.4mm，L=7.3mm；d1=1.23mm，g1=4.02mm；d2=3.46mm，g2=1.26mm，t1=3.45mm，t2=2.55mm。其中，金屬材料為厚度0.018mm、電導(dǎo)率為5.8×107S/m 的銅；中間層為介電常數(shù)為2.2、損耗角正切為0.05的介質(zhì)板。

仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示，復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)在1GHz -4GHz 平均反射率為-8.8dB，在4GHz -16GHz 平均反射率為-11.3dB，且該結(jié)構(gòu)具有較好的角度和極化穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

基于多層電阻膜與EBG 設(shè)計(jì)了一種電阻膜-EBG 的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元算法分別對(duì)其吸波特性進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明：該復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)，厚度為14.3mm，在1GHz-4GHz 平均反射率為-8.8dB，4GHz-16GHz 平均反射率為-11.3dB，且寬頻范圍內(nèi)具有較好的角域特性。

通過(guò)復(fù)合結(jié)構(gòu)的匹配設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)較寬頻帶范圍的阻抗匹配，在兼顧極化無(wú)關(guān)、寬入射角和寬頻帶的前提下，實(shí)現(xiàn)了厚度較薄且強(qiáng)損耗的吸收特性。

圖2：電阻膜單元尺寸結(jié)構(gòu)圖

圖3：EBG 單元尺寸示意圖

圖4：S11 仿真曲線（垂直極化）

圖5：S11 仿真曲線（水平極化）