圓環單元FSS對改善吸波體雷達吸波特性的影響

汪劍波，肖洪亮，陳桂波，陳新邑，孫貫成，盧 俊

（長春理工大學理學院，吉林 長春 130022）

圓環單元FSS對改善吸波體雷達吸波特性的影響

汪劍波，肖洪亮，陳桂波，陳新邑，孫貫成，盧 俊

（長春理工大學理學院，吉林 長春 130022）

設計了圓環單元的頻率選擇表面（FSS）結構，并將該結構置于吸波材料中構成了復合吸波結構。利用譜域法對該結構進行數值模擬，計算出頻率為2～16GHz微波波段的反射系數，并研究了圓環單元尺寸和排布周期對其吸波特性的影響。結果表明：當圓環單元FSS的單元間距為10mm，單元尺寸為3.3mm時，其共振頻率的反射率由-8.15dB降低為-14.54dB，-5dB吸波帶寬由1.2GHz拓展為3.05GHz；且隨圓環單元尺寸增大，共振反射率增加；隨單元排列周期增加，吸波材料帶寬增大。結果表明，利用FSS可以明顯改善吸波材料涂層的吸波性能，通過調整相關參數可以獲得所需的復合吸波結構，拓展FSS在吸波材料中的應用范圍。

頻率選擇表面；吸波材料；譜域法；吸波帶寬

1 引言

隱身技術是實現兵器突防、提高作戰效能的有效手段，其中實現飛行器對探測雷達波隱身仍是需要首先解決的問題。在飛機、巡航導彈等飛行器非透明件上使用雷達吸波材料是實現隱身的一種有效方法。

吸波材料是指能吸收和衰減入射的電磁波，并將電磁能轉化為熱能后耗散的材料。采用吸波材料來降低目標的雷達散射截面積（RCS）是對現代軍事目標進行雷達隱身的重要技術之一。在雷達吸波材料的研究中，厚度薄、質量輕、吸收頻帶寬、吸波能力強的材料是發展的趨勢［1］。目前，研究人員已提出了多種方法來實現此目的，在吸波材料中使用頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）就是方法之一［2～4］。

FSS是一種二維周期性結構，由大量的金屬貼片或孔徑單元組成，與電磁波相互作用可表現出空間濾波器的功能［5，6］。當將FSS與隱身吸波材料結合時，可以提高吸波材料的吸波性能［7］。由于FSS的特性與單元形式、排布周期及電磁波的極化等因素有關，因此，這些因素也將決定FSS對復合吸波材料性能的影響。本文從構成FSS的結構周期出發，設計了環形單元FSS，利用譜域法對含有這種FSS的吸波材料性能進行仿真，研究了FSS單元周期對吸波材料的吸波性能的影響規律，為FSS在吸波材料中的應用提供了設計依據。

2 譜域法

FSS分析方法有多種，本文采用譜域法對含有FSS的吸波結構進行分析。

設M是入射電磁場在單元中引起的等效磁流密度，則場點r處的散射磁場可表示為：

其中：

G（r，r′）為自由空間格林函數，且：

r′為源點，星號表示卷積運算，k0為自由空間波數。

根據電磁場邊界條件，在單元中的切向磁場連續，并應用傅里葉變換可獲得單個單元中的磁場譜域積分方程。由于FSS是二維周期無限大陣列結構，滿足Floquet定理，因此，可求得FSS無限大周期陣列結構的入射切向磁場：

3 仿真結果

3.1 吸波材料及特性

吸波材料的性能主要通過涂敷吸波材料的金屬平板對電磁波的反射來表征。本文采用三層雷達吸波材料［8］，其具體參數如表1所示。

表1 雙層雷達吸波材料參數Tab.1 Parameters of bi-layer radar absorbingmaterials

利用譜域法對吸波體進行仿真，結果（TE極化波0°入射）如圖1所示。可見，雙層雷達吸波材料的共振頻率為4.2GHz，反射率為-8.15dB，-5dB帶寬為1.2GHz。

圖1 吸波材料吸波特性Fig.1 Absorbing characteristics of absorbingmaterials

圖2 環孔單元FSS結構Fig.2 Ring-unit FSS structure

本文設計了一種環孔單元的金屬周期性FSS結構，其單元內半徑r＝3.3mm，縫寬w＝0.6mm，單元按正方形排列，周期為10mm，中心頻率為13.5GHz，如圖2所示。將所設計的FSS與吸波材料組合成復合結構，如圖3所示。

圖3 FSS復合吸波結構Fig.3 Composite FSS absorbing structure

利用譜域法對FSS復合方式分別進行了吸波特性仿真，FSS復合吸波結構與吸波材料的反射特性對比曲線如圖4所示；它們的共振頻率、共振頻率反射率和-5dB帶寬的對比見表2。

圖4 FSS復合吸波結構特性與吸波材料特性對比Fig.4 Correlation curve of composite FSS absorbing structure with characteristics of absorbingmaterials

從圖4可以看出，與單純吸波材料相比，加載FSS共振頻率向高頻方向漂移，5.2GHz位置處出現最強吸收，但共振反射率和吸收帶寬都有顯著提高，-5dB處吸收帶寬由1.2GHz增加到3.05GHz。

表2 FSS復合吸波結構與吸波材料特性的對比Tab.2 Correlation of composite FSS absorbing structure w ith characteristics of absorbing materials

3.2 FSS單元尺寸對吸波材料吸波特性的影響

通過改變環孔尺寸進行共振頻率調節，其復合吸波材料的反射特性對比曲線如圖5所示，其共振頻率、共振頻率反射率及-5dB帶寬對比結果如表3所示。

表3 FSS復合吸波結構的反射特性隨單元尺寸的變化Tab.3 Changes of reflectivities of composite FSS absorbing structure w ith unit sizes

圖5 FSS復合吸波結構的反射特性隨單元尺寸變化對比Fig.5 Reflectivities of composite FSS absorbing structure with different unit sizes

由此可見，隨環孔半徑的增加，吸波結構的共振頻率向低頻漂移，共振頻率反射率增加，相應地-5dB帶寬減小，但仍明顯優于單純吸波材料。

3.3 FSS排布周期對吸波材料吸波特性的影響

通過改變單元周期進行共振頻率調節，其復合吸波材料的反射特性對比曲線如圖6所示，其共振頻率、共振頻率反射率及-7 dB帶寬對比結果如表4所示。

圖6 FSS復合吸波結構的反射特性隨單元周期變化對比Fig.6 Reflectivities of composite FSS absorbing structure with different unit cycles

可見，隨單元周期的增加，吸波結構的共振頻率向高頻漂移，共振頻率反射率降低，相應地-7dB帶寬略有增加。

表4 FSS復合吸波結構的反射特性隨單元周期的變化Tab.4 Changes of reflectivities of composite FSS absorbing structure w ith unit cyles

4 結論

本文研究了FSS結構對吸波材料吸波特性的影響，并設計了環孔單元FSS。利用譜域法對FSS復合吸波結構的特性進行了仿真研究，并與雷達吸波材料的特性進行了對比，給出了單元尺寸和單元周期對同一材料吸波特性的影響規律。結果表明，利用FSS可以明顯改善吸波材料涂層的吸波性能，拓展涂層的吸波帶寬；增加圓環單元尺寸有利于提高共振反射率，但吸收帶寬相應縮小；增加單元排布周期有利于增加吸收帶寬，但吸收強度降低。總之，利用FSS可以明顯改善吸波材料涂層的吸波性能，為進一步提高吸波材料的低頻吸波性能提供了一種切實可行的途徑。

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Influence of ring FSS on im proving characteristics of radar absorbing materials

WANG Jian-bo，XIAO Hong-liang，CHEN Gui-bo，CHEN Xin-yi，SUN Guan-cheng，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

A ring-unit FSS is designed and put into absorbing materials to form the composite FSS absorbing structure，then the structure is numerically simulated through the spectral domain approach.The reflection coefficient of the structure at amicrowave band in 2-16 GHz is calculated and the influence of ring-unit′s sizes and aligning cycles on absorbing characteristics is studied.The results show thatwhen the ring-unit FSS′s unit spacing is 10mm and unit size is 3.3mm，the resonance frequency reflectivity decreases from-8.15 dB to -14.5 dB，and the absorbing band with whose reflectivity is larger than-5 dB broadens from 1.2 GHz to 3.05 GHz.Meanwhile，the resonance frequency reflectivity increaseswith the increasing of ring-unit size，and the absorbingmaterial′s bandwidth expandswith the expansion of unitaligning cycles.Experimental results indicate that the FSS can be used in absorbingmaterials to improve its absorbing properties.Moreover，the required composite FSS absorbing structure can be obtained by adjusting the corresponding parameters，which expands the application scope of FSS in absorbingmaterials.

Frequency Selective Surface（FSS）；obsorbing material；spectral domain approach；absorbing bandwidth

國家教育部博士點基金資助項目（No.20092216120005）

1674-2915（2010）03-0296-05

TB34；O451

A

2010-03-16；

2010-05-13

汪劍波（1978—），男，吉林長春人，講師，主要從事薄膜物理與器件，頻率選擇表面的設計與研究。

E-mail：wangjianbo@126.com