基于圓環FSS 的寬帶吸波材料設計研究

王明亮，劉佳琪，劉 鑫，張生俊，穆 磊

（1. 北京航天長征飛行器研究所，北京，100076；2. 試驗物理與計算數學國家重點試驗室，北京，100076）

0 引 言

雷達吸波材料（Radar Absorbing Materials，RAM）是指能夠有效吸收入射雷達波，從而使其目標回波強度顯著衰減的一類功能材料[1]。通常由于受到雷達吸波材料的應用環境條件限制，吸波材料涂層厚度限制在毫米量級，難以滿足在多個頻段同時具有良好吸波性能的應用需求。為了改善吸波材料的微波吸收性能，國內外對吸波材料與圓形頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）復合技術進行了研究和探索。Sha Yanan 等[2]分析了不同FSS 圖案及FSS 在碳纖維復合材料中的位置對材料反射特性的影響；Chambers B等[3]利用方環單元阻抗層改善吸波材料的低頻波段吸收性能；Avraham Frenkel 等[4]研究了毫米波段的吸收型FSS 設計；張成剛等[5]研究發現可調頻率選擇表面吸收體中通過改變集總器件電阻值，可實現吸波材料的吸收帶寬可調控；劉紅英等[6]利用FSS 改善微波吸收材料S 波段吸波性能，材料反射系數小于-10 dB 頻帶范圍為2.7～5.1 GHz，頻帶寬度為2.4 GHz；劉海韜等[7]利用試驗和數值計算研究了電阻型容性FSS 吸收體在4～18 GHz 頻率范圍的吸波性能影響因素，通過合理選取FSS 單元方阻等參數改善了低頻的帶寬特性；McGuigan N 等[8]研究了阻抗加載FSS 吸波體的近場散射性能。這些研究表明FSS 在減小吸波材料厚度、改善吸波性能等方面有著較好的應用前景。但對于在多個波段同時具有高吸收、大帶寬、厚度薄等性能，特別是涉及到2～12 GHz 頻率范圍，仍然是目前薄層吸波材料的設計難點。

本文針對含有FSS 的吸波材料復合結構，開展了FSS 設計研究，用以改善吸波材料在2～12 GHz 范圍寬頻段的吸波性能，利用數值仿真研究分析了FSS 單元圖案形狀、幾何尺寸等設計參數對吸波材料反射率的影響規律。

1 設計原理

含有FSS 的吸波材料結構反射性能可以采用傳輸線等效電路模型進行分析。FSS 與吸波材料復合結構示意如圖1 所示，其等效電路如圖2 所示。

圖1 FSS 與吸波材料復合結構示意 Fig.1 The Composite Structure of FSS and Absorbing Material

圖2 FSS 與吸波材料復合結構等效電路示意 Fig.2 The Equivalent Circuit for the Composite Structure of FSS and Absorbing Material

根據傳輸線理論，吸波材料的反射系數Γ 可由下式計算：

式中in()iZ 為材料的輸入阻抗；0Z 為自由空間波阻抗。對于多層吸波材料等效電路模型，第i 層的等效輸入阻抗可表示為

觀察上述公式，在含有FSS 的吸波材料復合結構中，吸波材料的電損耗和磁損耗與FSS 頻響特性共同影響著材料的吸波性能。基于吸波材料電磁參數開展FSS 單元優化設計，通過設計FSS 單元形狀、幾何尺寸、周期排布參數，以調節FSS 的諧振頻率和等效阻抗特性，可改變吸波材料在FSS 諧振頻率點的反射率特性，進而改變吸波材料復合結構的多頻段寬帶吸波性能。

2 結果與分析

為了改善吸波材料在2～12 GHz 的吸波性能，在低頻段和高波段同時實現高吸收性能，并具有材料厚度薄的特點，本文基于周期性排布結構設計了兩種FSS 吸波材料復合結構，一種是圓環形FSS，一種是復合型FSS，并采用FDTD 算法研究分析了FSS 單元幾何參數、陣列周期、襯底材料等參數對吸波材料反射率性能的影響規律。

2.1 FSS 吸波材料復合結構設計與性能

首先，在吸波材料結構體中設計了一種圓環形FSS 單元，如圖3 所示。文中設計的FSS 單元為圓環形金屬貼片單元結構，圓環外半徑為8 mm，圓環寬度為1 mm，單元周期為20 mm，襯底介質厚度為0.1 mm，介電常數是1.05，采用正方形排布方式，吸波材料厚度為3 mm。通過對FSS 單元在吸波材料中的優化設計，含有FSS 的吸波材料復合結構與無FSS 吸波材料反射率特性仿真結果如圖4 所示。

圖3 圓環形FSS 單元幾何形狀 Fig.3 The Geometry Shape for Ring FSS Unit

圖4 吸波材料增加圓環形FSS 前后的反射率對比 Fig.4 The Comparison of Reflectivity Performance for Absorbing Materials between with Ring FSS and without FSS

仿真結果顯示，單獨應用吸波材料在2.5～4.5 GHz具有較好的微波吸收性能，反射率優于-10 dB，但是在5 GHz 以上的高頻范圍內反射率接近-5 dB，吸波性能非常有限。在相同的吸波材料中引入FSS 單元后，FSS 吸波材料復合結構形成2 個寬帶吸波峰，其中心頻率分別位于4.3 GHz 和6 GHz，其反射率分別為-25 dB、-37 dB，并且從3.7～8 GHz 反射率均低于-10 dB，由原吸波材料的2 GHz 帶寬拓寬到了4 GHz的吸收帶寬，在材料厚度薄的條件下拓寬了吸收帶寬；并且反射率性能明顯優于不含FSS 的吸波材料，提高了吸波能力，獲得了良好的吸波性能。

在圓環形FSS 單元的基礎上，設計了一種圓環與十字環復合的FSS 單元結構（見圖5），并與吸波材料復合，仿真結果如圖6 所示。由圖6 可知，增加了十字環結構以后，復合吸波材料結構的吸收峰向更高的頻率偏移，吸收峰中心頻率分別位于4.8 GHz 和7.2 GHz，并且，反射率低于-10 dB 的頻率范圍達到約5 GHz 的吸收帶寬（4～9 GHz）。

圖5 圓環形FSS 單元幾何形狀 Fig.5 The Geometry Shape for Designed Ring FSS Unit

圖6 吸波材料增加圓環形FSS 前、后的反射率對比 Fig.6 The Comparison of Reflectivity Performance for Absorbing Materials between with Different FSS and without FSS

根據上述兩種FSS 單元設計，以及與同一種吸波材料復合的整體吸波性能，在吸波材料中引入周期性單元結構，能夠增加吸收峰的數量，同時有效調節吸波材料的吸收峰頻率、吸收帶寬和反射率幅度。因此，在現有吸波材料的基礎上，可通過增加FSS 設計，人為地控制吸收峰的位置，達到所需的吸波效果。

2.2 陣列周期對吸波性能影響

針對圓環形FSS 吸波材料結構，在其他設計參數不變的前提下，僅調整FSS 單元的排布周期，反射率性能仿真及對比結果如圖7 所示。可見隨著FSS 單元周期長度的增大，吸波材料在高頻段的吸收峰中心頻率由6 GHz 逐漸向5.5 GHz 漂移，而在低頻段的吸收峰中心頻率由4.2 GHz 逐漸向4.5 GHz 漂移。同時，兩個吸收峰頻率之間的反射率曲線整體向下偏移，當周期長度由18 mm 增大到30 mm 時，吸收峰之間的反射率由-10 dB 降低到-15 dB，獲得了更好的吸收效果。因此，通過調節FSS 單元周期，可在微波波段、特別是4～8 GHz 頻率范圍內提高寬頻吸收性能。

圖7 FSS 周期長度對吸波材料反射率的影響 Fig.7 The Influence of FSS Period Length on Reflectivity of Absorbing Materials

2.3 FSS 圓環半徑對吸波性能影響

改變FSS 圓環形單元的外半徑，研究FSS 單元的幾何參數對吸波材料反射率性能的影響，反射率性能仿真及對比結果如圖8 所示。

圖8 FSS 圓半徑參數對吸波材料反射率的影響 Fig.8 The Influence of FSS Radius on Reflectivity of Absorbing Materials

由圖8 可知，FSS 圓半徑在6～9 mm的范圍內變化，吸波材料吸收峰峰值發生明顯改變，獲得高的吸收性能，并且，吸收峰中心頻率逐漸向低頻方向偏移，即第一吸收峰中心諧振頻率由5 GHz 偏移到3.8 GHz，第二吸收峰中心諧振頻率由7 GHz 偏移到6 GHz。因此，FSS 單元半徑參數對吸波材料的吸收峰中心頻率影響明顯，適當的半徑參數能夠使吸波材料在中心頻率獲得反射率極低的吸收峰。

2.4 FSS 單元圓環寬度對吸波性能影響

研究FSS 圓環單元寬度對吸波材料反射率性能的影響，FSS 圓環寬度半徑由0.5 mm 變化到2 mm 時，吸收峰中心頻率向高頻方向偏移，低于-10 dB 的吸收帶寬由4～8 GHz 變化為4～8.5 GHz，圓環寬度的變化可增加500 MHz 帶寬，反射率性能仿真及對比結果如圖9 所示。

圖9 FSS 圓環寬度對吸波材料反射率的影響 Fig.9 The Influence of FSS Ring Width on Reflectivity of Absorbing Materials

3 結 論

本文基于吸波材料設計了圓環形FSS 單元，采用數值算法對含有FSS 的吸波材料復合結構進行了反射率性能仿真，改善了吸波材料在2～12 GHz 頻率范圍的吸波性能，并分析研究了FSS 的幾種設計因素對吸波材料反射率的影響作用。研究表明：

a）在吸波材料中引入周期性單元結構，能夠增加吸收峰的數量，同時有效調節吸波材料的吸收峰頻率、吸收帶寬和反射率幅度，吸收峰中心頻率分別是 4.3 GHz 和6 GHz，吸收帶寬由原吸波材料的2 GHz帶寬拓寬到了4 GHz 的吸收帶寬，反射率性能明顯優于不含FSS 的吸波材料。

b）通過調節FSS 單元周期，可在微波波段內提高寬頻吸收性能。

c）FSS 單元半徑和寬度對吸收峰的頻率和幅度影響較大，基于電磁參數和FSS 圖案設計，當圓環寬度增大到2 mm 時，可增加500 MHz 吸收帶寬。