孔徑型FSS與貼片型FSS吸波特性的對比

袁旭冏, 劉文言, 王 艷, 陸澤濤, 張有為, 韓沐疇,李 曉, 劉 敏

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院 隱身材料重點實驗室，北京 100095；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

頻率選擇表面是由完全相同的單元沿一維或二維方向周期性排列而成的無線大陣列[1]。根據(jù)構(gòu)成方式可將頻率選擇表面分為貼片型和孔徑型兩種類型[1-2]。FSS可以有效地控制電磁波反射和傳輸?shù)奶匦?，實現(xiàn)“帶內(nèi)透波帶外反射”的性能。碳纖維不但擁有較好的介電性能，而且具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱及耐腐蝕性能，是一種良好的吸收劑[3-6]，因此受到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞。一些學(xué)者對碳纖維吸波復(fù)合材料的FSS結(jié)構(gòu)尺寸[7-10]、排列方式[10]、介質(zhì)層加載方式[6-7，10]、極化方向[11]、放置位置[9，12]等進(jìn)行了大量研究，針對這些影響因素分別給出了反射率的相應(yīng)變化規(guī)律，但是忽略了FSS形狀對孔徑型FSS與貼片型FSS吸波特性的影響規(guī)律。王艷紅[13]針對中心頻率相同的三種FSS單元形狀，利用譜域法對其吸波特性進(jìn)行了仿真研究，忽略了吸波材料基體面積占比率不同的情況，得出了在改善吸波材料帶寬方面，Y孔單元的作用顯著；在降低共振頻率漂移及反射率方面，圓環(huán)形狀作用較顯著的結(jié)論。

本工作提出用碳纖維紙制備單位面積內(nèi)碳纖維紙的基體面積占比率相同的FSS，芳綸紙蜂窩匹配厚度為4 mm時，對比孔徑型FSS與貼片型FSS對反射率的影響規(guī)律，研究FSS的單元形狀、碳纖維紙中碳纖維的含量、長度對吸波性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗材料

NL-ES-075型碳纖維紙，碳纖維含量2%、3%、4%、6%，碳纖維長度2 mm、3 mm、4 mm，北京碧巖特種材料有限公司。AC-NH間位芳綸蜂窩，孔格邊長2.75 mm，蘇州芳磊蜂窩復(fù)合材料有限公司。

1.2 實驗過程及測試

采用碳纖維紙制備孔徑型FSS和貼片型FSS。使用圓形、正方形、正六邊形3種中心對稱的塊狀單元形狀。其中孔徑型FSS與貼片型FSS的單元形狀尺寸參數(shù)如圖1和表1所示。孔徑型FSS中，圓形單元直徑d1= 5.5 mm，正方形邊長a1= 5 mm，正六邊形邊長c1= 3 mm，s1= 24 mm2，Dx=Dy= 10 mm；貼片型FSS中，圓形單元直徑d2= 9.84 mm，正方形邊長a2= 8.66 mm，正六邊形邊長c2= 5.4 mm，s2= 76 mm2，Dx=Dy= 10 mm；單元形狀在A4紙上沿二維方向周期排列，X、Y方向上的周期大小為10 mm，重復(fù)參數(shù)為20個，樣品大小為200 mm × 200 mm。保證碳纖維紙的基體面積占比率為0.76的情況下，在周期單元格中制作面積分別為24 mm2，76 mm2的圓形、正方形、正六邊形3種單元形狀，制備3種孔徑型FSS和3種貼片型FSS。陣列照片如圖2所示（單元形狀為圓形）。根據(jù)GJB2038—1994標(biāo)準(zhǔn)，采用弓形法測試系統(tǒng)，利用AgientE-8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試樣品在2～18 GHz范圍內(nèi)電磁波垂直入射情況下的反射率。利用YKT-9400系列雙目定倍體視顯微鏡對碳纖維紙中的碳纖維分布進(jìn)行觀察及分析。

圖 1 FSS單元形狀的尺寸參數(shù)（a）圓形；（b）正方形；（c）正六邊形Fig. 1 Size parameters of FSS structures（a）circle；（b）square；（c）regular hexagon

表 1 FSS單元形狀的尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of FSS structures

2 結(jié)果及分析

2.1 微觀形貌的表征

為了證實碳纖維紙的可行性，對碳纖維紙的微觀形貌采用體視顯微鏡進(jìn)行分析，放大25倍后結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，碳纖維紙中的碳纖維分布均勻，無明顯的纏結(jié)與團(tuán)聚現(xiàn)象。說明碳纖維紙在平面方向上是一種各向同性的材料。由于單元形狀的尺寸大于碳纖維自身長度，所以單元形狀對復(fù)合材料FSS的反射率影響具有一致性。趙宏杰等[14]對樹脂基復(fù)合材料層板中不同分散狀態(tài)的碳纖維進(jìn)行了研究，證明了分散均勻性好的碳纖維可以有效提高吸波材料的吸波性能。

2.2 單元形狀對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響

碳纖維含量2%、長度為2 mm，單元形狀對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4和表2所示?？梢钥闯?，在2～18 GHz范圍內(nèi)，孔徑型FSS與貼片型FSS結(jié)構(gòu)的反射率曲線均呈二次曲線變化，即反射率隨著電磁波頻率的增加先減小后增大。對于孔徑型FSS，圓形、正方形、正六邊形的平均反射率在S-Ku波段內(nèi)基本相同，諧振頻率在9.68 GHz附近，最小反射率可達(dá)-31.24 dB，相對誤差小于1%，此時吸波性能最好。而對于貼片型FSS，圓形、正方形、正六邊形的平均反射率在S-Ku波段內(nèi)基本相同，其對應(yīng)的諧振頻率幾乎沒有變化，均在10.24 GHz附近，最小反射率為-7.91 dB，相對誤差在0.6%以內(nèi)。由此表明，在碳纖維紙基體面積占比率相同的情況下，單元形狀對孔徑型FSS與貼片型FSS的吸波性能沒有影響。周永江等[15]在周期大小、排列方式及極化方式一致的情況下，通過調(diào)整十字型電阻貼片的長度、寬度，研究了貼片型FSS對吸波性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，貼片型FSS的基體面積占比率相同時，形狀不同的FSS對吸波性能沒有影響，即當(dāng)基體面積占比率一致時，十字型電阻貼片F(xiàn)SS的吸波性能與FSS的單元形狀無關(guān)。

圖 3 碳纖維紙的體視顯微鏡照片F(xiàn)ig. 3 Stereomicroscope image of carbon fiber paper

2.3 碳纖維含量對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響

碳纖維長度為2 mm，F(xiàn)SS的單元形狀為圓形時，碳纖維含量對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5和表3所示?？梢钥闯霾徽撌强讖叫虵SS還是貼片型FSS，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料FSS的諧振頻率均向低頻方向移動。這是由于碳纖維是一種吸收劑，可以使得電磁波在復(fù)合材料FSS內(nèi)部形成多重反射促進(jìn)電磁波的吸收，增加該材料的吸波性能。根據(jù)式（1）

式中：fm為匹配諧振頻率；tm為匹配厚度；c為真空中光速；εr和μr分別代表材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。

圖 4 碳纖維含量2%的FSS的反射率曲線 （a）孔徑型FSS；（b）貼片型FSSFig. 4 Reflectivity diagrams of FSS with 2% carbon fiber （a）aperture-type FSS；（b）patch-type FSS

表 2 單元形狀對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響Table 2 Effect of reflectivity of unit shape on FSS of aperture-type and patch-type

可以看出，材料的諧振頻率主要受到該材料的電磁參數(shù)和介質(zhì)厚度的影響。故在介質(zhì)厚度一定的情況下，電磁性質(zhì)為主要影響因素。碳纖維的含量越大，諧振頻率越小。由于碳纖維是一種電介質(zhì)材料，隨著碳纖維含量的增加使得材料的εr增大，故復(fù)合材料FSS的諧振頻率逐漸向低頻方向移動，這與測試結(jié)果相符。

圖 5 不同碳纖維含量FSS的反射率 （a）孔徑型FSS；（b）貼片型FSSFig. 5 Reflectivity of FSS with different contents of carbon fiber （a）aperture-type FSS；（b）patch-type FSS

表 3 碳纖維含量對孔徑FSS與貼片型FSS反射率的影響Table 3 Effect of reflectivity of carbon fiber contents on FSS of aperture-type and patch-type

圖 6 不同長度碳纖維FSS的反射率 （a）孔徑型FSS；（b）貼片型FSSFig. 6 Reflectivity of carbon fiber FSS of different lengths （a）aperture-type FSS；（b）patch-type FSS

2.4 碳纖維長度對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響

碳纖維含量為4%，F(xiàn)SS的單元形狀為圓形時，碳纖維長度對孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的影響及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖6和表4所示?？梢钥闯觯徽撌强讖叫虵SS還是貼片型FSS，隨著碳纖維長度的增加，復(fù)合材料FSS的最小反射率逐漸增大，吸波性能逐漸減弱。碳纖維長度為2 mm時，復(fù)合材料FSS的反射率相對最小，吸波性能相對最強(qiáng)。由文獻(xiàn)[16]可知，碳纖維長度小于2 mm時，由于碳纖維長度較短，偶極子之間的導(dǎo)電距離較短，難以形成感應(yīng)電流。故適宜的碳纖維長度對電磁波的損耗能力越強(qiáng)，吸波性能越好。這是由于碳纖維分布在基體中時，容易相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)路，能夠為自由電子提供轉(zhuǎn)移通道，可以激勵產(chǎn)生極化，對電磁波形成較強(qiáng)的損耗。根據(jù)電磁波傳輸理論，電磁波照射下碳纖維相當(dāng)于電偶極子。當(dāng)碳纖維紙中碳纖維含量相同時，碳纖維長度越長則說明含有的電偶極子數(shù)量越少，產(chǎn)生的極化相對較少進(jìn)而對電磁波的損耗越小。

表 4 碳纖維長度對孔徑與貼片型FSS反射率的影響Table 4 Effect of carbon fiber length on reflectivity of FSS of aperture-type and patch-type

2.5 孔徑型FSS與貼片型FSS反射率的對比研究

通過圖4（a）、（b）和表2對比可以看出：孔徑型FSS在6～18 GHz有效吸收頻帶內(nèi)反射率均小于-8 dB；而貼片型FSS在6～18 GHz內(nèi)，其反射率均大于-8 dB。由圖5（a）、（b）和表3對比看出：在碳纖維含量分別為2%、3%、4%、6%時，孔徑型FSS在S-Ku波段內(nèi)的平均反射率均小于貼片型FSS，且在諧振頻率處對電磁波的損耗能力最強(qiáng)，孔徑型FSS對應(yīng)最小反射率分別為-32.78 dB、-14. 95 dB、-10.24 dB、-10.01 dB，而貼片型FSS對應(yīng)最小反射率分別為-6.22 dB、-7.55 dB、-9.19 dB、-6.68 dB。在6～18 GHz內(nèi)，孔徑型FSS的有效吸收頻帶內(nèi)反射率均小于－10 dB；貼片型FSS的反射率均大于-10 dB。且由圖6（a）、（b）和表4對比可以看出：在碳纖維長度分別為2 mm、3 mm、4 mm時，孔徑型FSS在S-Ku波段內(nèi)的平均反射率均小于貼片型FSS?？梢钥闯隹讖叫虵SS的吸波性能明顯優(yōu)于貼片型FSS。這是由于孔徑型FSS中，碳纖維的長度保留了碳纖維紙中碳纖維的原始長度，使其處于連續(xù)的狀態(tài)，這可以提高碳纖維紙中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的能力，增強(qiáng)碳纖維紙內(nèi)部的電導(dǎo)損耗。而貼片型FSS碳纖維的最大長度受限于貼片尺寸。當(dāng)長度較短時碳纖維在電磁波作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流沿纖維軸向流動距離太短，無法對電磁波能量起到有效耗散作用[16-17]。同時，根據(jù)電磁場理論，孔徑型FSS在介質(zhì)表面上周期性排布著面積相等的孔徑，當(dāng)發(fā)生諧振時，孔徑周圍會形成較強(qiáng)的感應(yīng)電流，此時感應(yīng)電流會形成一個和入射方向相同的輻射場[18-21]，表現(xiàn)為全透射進(jìn)入復(fù)合材料FSS內(nèi)部進(jìn)行損耗，后遇到金屬板時反射，此時反射電磁波與未進(jìn)入材料內(nèi)部在表面已反射的電磁波形成干涉作用，使得吸波性能提高[10，22-23]。而貼片型FSS，在入射波的照射下，產(chǎn)生電荷振蕩形成感應(yīng)電流，使得入射的電磁波全部轉(zhuǎn)化成電流能，此時表面電流形成一個和入射方向相反的輻射，同時透射能量為零，進(jìn)而損耗較小。

3 結(jié)論

（1）6～18 GHz范圍內(nèi)，碳纖維紙的基體面積占比率相同的情況下，單元形狀對孔徑型FSS與貼片型FSS的吸波性能沒有影響。孔徑型FSS的吸波性能優(yōu)于貼片型FSS。

（2）隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料FSS的諧振頻率向低頻方向移動。孔徑型FSS的吸波性能優(yōu)于貼片型FSS。

（3）隨著碳纖維長度的增加，復(fù)合材料FSS的最小反射率逐漸增大，吸波性能逐漸減弱。孔徑型FSS的吸波性能優(yōu)于貼片型FSS，當(dāng)碳纖維紙中碳纖維含量為4%、長度為2 mm時，復(fù)合材料FSS的吸波性能最好。