基于電路模擬吸收體的寬帶吸波型頻率選擇表面設(shè)計(jì)*

趙宇婷李迎松? 楊國輝

1)(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,哈爾濱150001)

2)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,哈爾濱150001)

(2020年4 月30日收到;2020年7 月2日收到修改稿)

1 引 言

頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS)由于其可以對空間電磁波進(jìn)行特定頻段的選擇性反射或透射(頻域)而被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)隱身、電磁兼容/屏蔽、天線設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[1].然而,傳統(tǒng)的FSS主要是通過對帶外信號的反射從而實(shí)現(xiàn)對特定頻段的電磁波的隱身或者隔離,無法實(shí)現(xiàn)雙站/多站雷達(dá)探測的隱身或者隔離,反射的電磁波也會(huì)對電磁環(huán)境造成二次污染,難以滿足現(xiàn)實(shí)需求.因此,具有帶外吸波特性的新型頻率選擇表面近年來備受關(guān)注,且發(fā)展迅速.2009年,FSS領(lǐng)域的著名專家Munk[2]在其新書中將這種新型FSS命名為FSR(frequency selective rasorber).2012年,意大利比薩大學(xué)的Costa等[3]首次對吸波型頻率選擇表面(AFSS)進(jìn)行了深入研究,并詳細(xì)地闡述了設(shè)計(jì)機(jī)理.同年,國內(nèi)空軍工程大學(xué)屈紹波[4]領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出了加載電阻膜吸波材料的AFSS設(shè)計(jì)方法.

根據(jù)物理結(jié)構(gòu),現(xiàn)有的AFSS主要包括二維AFSS和三維AFSS.通常,二維AFSS通過級聯(lián)有耗FSS和無耗FSS來實(shí)現(xiàn)[5?9].而三維AFSS主要通過在晶胞中構(gòu)造有耗諧振腔和無耗諧振腔實(shí)現(xiàn),如平面縫隙線結(jié)構(gòu)[10],平行板波導(dǎo)[11],基片集成波導(dǎo)[12]和屏蔽微帶線[13]等.其中,文獻(xiàn)[4?9]利用帶通FSS實(shí)現(xiàn)了吸波帶位于通帶下側(cè)或兩側(cè)的AFSS,這類AFSS主要適用于己方天線工作頻段高于或正處于敵方威脅頻段內(nèi)的應(yīng)用.但是,軍事通信中有很多工作在L、S波段的雷達(dá)天線,要在如此低的頻段設(shè)計(jì)寬通帶的FSS是非常困難的.因此,相關(guān)學(xué)者采用帶阻FSS代替AFSS中的帶通FSS[14?16]來開展新的研究.由于二維阻帶FSS選擇性較差,帶寬較窄,而三維阻帶FSS又存在厚度過大、制作困難的問題,高選擇性、寬帶吸波的FSR設(shè)計(jì)仍然是1個(gè)難題.

本文利用二維容性有耗FSS與高選擇性帶阻FSS,進(jìn)一步拓展通帶帶寬,從而實(shí)現(xiàn)高選擇性、寬吸波帶和超寬通帶的AFSS設(shè)計(jì).該結(jié)構(gòu)由加載貼片電阻的容性FSS和具有高選擇性的寬阻帶FSS級聯(lián)而成.由于有耗FSS的通帶與帶阻FSS的通帶一致,且?guī)ё鐵SS具有高選擇性,因此可以實(shí)現(xiàn)超寬的帶通響應(yīng)以及陡峭的過渡帶.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的AFSS具有超寬的帶通響應(yīng)和高選擇性特性.

2 AFSS設(shè)計(jì)原理

最簡單的二維集總電阻式吸波體通常通過在金屬地板前面一定距離處放置一塊電阻屏組成,該電阻屏由無耗的FSS加載集總電阻實(shí)現(xiàn).但吸波體作為單端口網(wǎng)絡(luò),只能實(shí)現(xiàn)電磁波的吸收功能,為了實(shí)現(xiàn)特定頻段內(nèi)的透射功能,可將金屬地板用阻帶FSS替代[15],如圖1所示.此時(shí)阻帶FSS需要滿足兩個(gè)條件:1)阻帶與吸波體的吸波頻段一致,通帶與吸波體的通帶頻段一致;2)阻帶FSS在其阻帶內(nèi)具有準(zhǔn)完美導(dǎo)體(PEC)特性.

圖1電路示意圖(a)吸波體;(b)AFSS Fig.1.Circuit Model:(a)Absorber;(b)AFSS.

由微波網(wǎng)絡(luò)分析[17]可知,對于級聯(lián)二端口網(wǎng)絡(luò),有耗FSS的傳輸矩陣與帶阻FSS級聯(lián)后的傳輸矩陣可表示為

其中,Y為有耗FSS的導(dǎo)納,Z0為自由空間波阻抗,lβ表示傳輸線的電長度,為帶阻FSS的傳輸矩陣.由(1)式可知,AFSS的特性由有耗FSS和帶阻FSS以及兩者之間的距離和介質(zhì)基板決定.當(dāng)AFSS工作在吸波頻段時(shí),由于阻帶FSS具有準(zhǔn)PEC特性,即阻抗接近于零,介質(zhì)基板和帶阻FSS可以看作端接短路的傳輸線.因此,

此時(shí)AFSS的輸入阻抗Zin3為

其中,ZlossyFSS表示有耗FSS的阻抗.由傳輸線理論可知,當(dāng)設(shè)計(jì)小于四分之一波長的低剖面吸波體時(shí),加載有損FSS端口的輸入阻抗為感性,即Zin4為感性.為了獲得更寬的吸波頻段帶寬,有耗FSS在工作頻段內(nèi)應(yīng)該呈現(xiàn)容性以使AFSS的總阻抗虛部為0[18],從而與自由空間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配.

3 所提出AFSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

3.1 吸波體的設(shè)計(jì)

由上節(jié)分析可得,有耗FSS設(shè)計(jì)為容性更有利于降低剖面.因此,本文提出了一種雙“工”字型單元增加容性阻抗,如圖2所示.該結(jié)構(gòu)中間加載150 W的貼片電阻,使得有耗FSS的表面阻抗與自由空間中的波阻抗匹配.從而實(shí)現(xiàn)良好的吸波特性.FR-4介質(zhì)基板的介電常數(shù)εr=4.4,損耗角正切tanδ=0.02,厚度為0.5 mm,其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:h=6 mm ,a=5 mm,b=8 mm,c=2 mm,d=1 mm.

圖2吸波體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(a)三維視圖;(b)正視圖Fig.2.Design of the absorber:(a)3-D view;(b)front view.

采用CST微波工作室對所涉及的模型進(jìn)行全波仿真,x方向和y方向均設(shè)置為周期邊界,激勵(lì)設(shè)置為TE極化平面電磁波,沿?z方向垂直入射到單元平面,其中電場E沿+y方向,磁場H沿+x方向.由于接地板為銅,透射率為零,吸收率A=1?|S11|2,吸波體的吸收率和阻抗特性分別如圖3(a)和圖3(b)所示.圖3(a)中藍(lán)色區(qū)域表示吸收率大于90%的吸波頻段,為5.4—13.8 GHz,通帶為1—3.5 GHz.此外,圖3(b)為有耗FSS的表面阻抗以及從介質(zhì)基板向接地板的輸入阻抗Zin2.可以看出,所設(shè)計(jì)的“工”字形單元加載集總電阻構(gòu)成的有耗FSS阻抗在整個(gè)工作頻段內(nèi)都呈容性,在低頻段內(nèi)與介質(zhì)基板及空氣層呈現(xiàn)的感性阻抗相抵消,從而實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配,有效降低吸波體厚度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬頻帶吸波.

3.2 帶阻FSS的設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述的FSR設(shè)計(jì)原理及吸波體的設(shè)計(jì)結(jié)果,為了實(shí)現(xiàn)具有高頻吸波,低頻透射的AFSS,需要設(shè)計(jì)一個(gè)阻帶與上述吸波體的吸波頻段一致,且為具有高選擇性的帶阻FSS.所設(shè)計(jì)的三維帶阻FSS單元如圖4(a)所示,該三維FSS單元由兩個(gè)耦合的雙開口諧振方環(huán)構(gòu)成,介質(zhì)基板采用F4-B, 單元沿電磁波入射方向放置, 沿y軸進(jìn)行周期延拓.其中,諧振器線寬c1=1 mm,c2=2 mm,耦合縫隙g=2 mm ,介質(zhì)基板長度l=8 mm,厚度tm=0.5 mm ,相對介電常數(shù)εr=3.3,單元周期p=5 mm.利用CST微波工作室對設(shè)計(jì)的單元進(jìn)行仿真,x,y方向設(shè)為周期邊界,?z為電磁波矢入射方向.

由于單元采用耦合的雙開口諧振方環(huán),基于奇偶模分析理論[19],可將兩個(gè)開口方環(huán)之間的耦合電容等效為圖4(b)所示中的C1和C2,其中,C1=0.27 pF,C2=0.22 pF.當(dāng)電磁波入射到結(jié)構(gòu)時(shí)所產(chǎn)生不連續(xù)面處的等效電抗由電容Cp表示,且Cp=4.9 pF,電感L1=6.06 nH,L2=5.34 nH .在傳輸方向上,介質(zhì)基板等效為傳輸線, 傳輸線的等效阻抗為Z1=Z0/√εeff.相鄰單元之間的等效耦合電容為C3=0.1 pF.在仿真軟件ADS(Advanced Design System)中利用等效電路仿真得到的S參

圖3吸波體特性(a)S11與吸收率;(b)阻抗特性Fig.3.Characteristic of the absorber:(a)S11 and absorptivity;(b)impedance characteristic.

圖4 帶阻FSS(a)單元設(shè)計(jì);(b)等效電路Fig.4.Band-stop FSS:(a)The design of unit cell;(b)equivalent circuit.

數(shù)與CST全波仿真的結(jié)果對比如圖5所示.從圖5中可以看到兩者吻合度較高,但是電路仿真結(jié)果在低頻處有一些毛刺,這主要是由于等效電路模型是在中心頻率點(diǎn)進(jìn)行提取得到的.

圖5帶阻FSS的等效電路仿真與全波仿真結(jié)果對比Fig.5.Comparison between simulation results and full wave simulation.

3.3 AFSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將所設(shè)計(jì)的有耗FSS與高選擇性的寬阻帶FSS級聯(lián)形成所設(shè)計(jì)的AFSS結(jié)構(gòu),如圖6(a)所示,圖6(a)是一個(gè)3×1的周期結(jié)構(gòu)示意圖,其中有耗FSS與帶阻FSS之間為空氣層, 空氣層厚度h=6 mm ,帶阻FSS相鄰單元之間的距離p=5 mm,其余參數(shù)均與上文一致.在CST微波工作室,采用與上文相同的周期邊界條件進(jìn)行設(shè)置,并將入射波設(shè)置為TE極化波,仿真得到的S參數(shù)與吸收率如圖6(b)所示,TE極化波斜入射情況下的反射系數(shù)與傳輸系數(shù)由圖6(c)所示.其中,黃色區(qū)域?yàn)楱C1 dB通帶頻段,藍(lán)色區(qū)域?yàn)槲章蕿?0%的吸收頻段.可以看到級聯(lián)后的AFSS在1—3.5 GHz頻段構(gòu)成了1個(gè)3.5倍頻程的低損耗、超寬帶的帶通響應(yīng)頻段,通帶內(nèi)最小插入損耗為0.21 dB,吸頻段為6.5—11.7 GHz,且從圖6(c)中可以看到當(dāng)斜入射角度增大到30°時(shí),仍能保證該性能.AFSS通帶過渡到吸波帶的陡峭性可由F Rap=fa/fp獲得[14],其中fa為吸波段的最低頻率,fp為通帶的截止頻率,可得F Rap=1.9.與加載金屬地面的吸波體5.4—13.8 GHz的吸波頻段相比較,級聯(lián)帶阻FSS后吸收頻帶變窄,這是由于帶阻FSS的相位特性與PEC平面存在一定差異所導(dǎo)致.

圖6(a)AFSS的3×1周期結(jié)構(gòu)示意圖;(b)TE極化波入射下的S參數(shù)與吸收率;(c)TE極化波斜入射時(shí)的反射系數(shù)與傳輸系數(shù)Fig.6.(a)Geometry of the proposed AFSS(3×1 periodic structure);(b)S parameters and absorptivity at TE-polarized incidence;(c)reflection/transmission coefficients at TE-polarized oblique incidences.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用印刷板技術(shù)及工藝焊接技術(shù)對AFSS進(jìn)行了樣件加工, 加工的AFSS樣件尺寸為240 mm ×240 mm×14.5 mm,單元數(shù)量為48×30.樣件如圖7所示,第一層為加載集總電阻的有耗FSS層,第二層級聯(lián)沿波矢方向放置的阻帶FSS.為了增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度,有耗FSS與阻帶FSS之間加載了少量介電常數(shù)接近于1的泡沫條,并設(shè)計(jì)了一種齒狀?yuàn)A具對三維FSS進(jìn)行固定.采用自由空間法[20]進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)裝置如圖8(a)所示,測試天線型號為德國施瓦茲貝科BBHA 9120 D,頻率范圍1—18 GHz,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)型號為安捷倫N5244 A PNA-X.測量S11時(shí),兩個(gè)天線放在被測樣品同側(cè),為了消除多徑傳播引起的其他反射,需要先測量與樣品尺寸相同的金屬板的S11,再測試樣品的S11,兩者的差值即為被測樣品相對金屬板的吸波效果.為了更好的觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,測量結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖8(b)所示.可以看到制備的FSR實(shí)物的–1 dB通帶為1—3.5 GHz,吸波頻段為6.3—11 GHz,F Rap=1.8.與仿真結(jié)果相比,雖然過渡性變得更加陡峭,但帶阻FSS的第二傳輸零點(diǎn)向低頻移動(dòng),導(dǎo)致吸收頻段變窄,這主要是由于帶阻FSS的介質(zhì)基板過薄,在實(shí)物制備中即使使用夾具進(jìn)行固定,也會(huì)產(chǎn)生一定的形變,導(dǎo)致樣件周期不均勻所引起的.但總體而言,樣件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果效果一致.所設(shè)計(jì)的AFSS與近幾年的AFSS進(jìn)行比較,如表1所示.可以看出,所提出的AFSS具有更寬的通帶和吸收帶寬,以及陡峭的過度帶寬,對于混合結(jié)構(gòu)而言,結(jié)構(gòu)尺寸相對較小,剖面也相對較低.

圖7 AFSS樣品(a)有耗FSS;(b)帶阻FSSFig.7.Fabricated AFSS:(a)Lossy FSS;(b)bandstop FSS.

圖8(a)實(shí)驗(yàn)裝置(b)S參數(shù)的仿真結(jié)果與測量結(jié)果的對比Fig.8.(a)Experimental setup;(b)comparison between simulated and measured S parameters.

表 1所設(shè)計(jì)AFSS與前人所設(shè)計(jì)的AFSS比較Table 1.Comparisons between the proposed AFSS and the previous AFSSs.

5 結(jié) 論

本文基于電路模擬吸收體的原理,利用三維帶阻FSS替換吸波體接地板的方法設(shè)計(jì)了一款低頻透波高頻吸波的AFSS,利用容性FSS加載集總電阻,以及高選擇性的帶阻FSS,在實(shí)現(xiàn)寬帶吸波的同時(shí)有效降低了剖面,提高了過渡帶的陡峭性,并拓展了通帶帶寬,整體性能有了顯著提高.此外,設(shè)計(jì)的三維帶阻FSS只需要利用普通的PCB印刷技術(shù)制造,省去三維FSS制作和組裝的困難,可以滿足實(shí)際工程需求.最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致.