一種基于六邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的雙阻帶紅外頻率選擇表面

孟 真，田昌會，黃思寧，范 琦，楊百愚，田曉霞

〈系統(tǒng)與設(shè)計〉

一種基于六邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的雙阻帶紅外頻率選擇表面

孟 真，田昌會，黃思寧，范 琦，楊百愚，田曉霞

（空軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，陜西 西安 710051）

為實現(xiàn)中紅外大氣窗口（3～5mm）和遠(yuǎn)紅外大氣窗口（8～14mm）的低紅外透過率，設(shè)計了一種雙頻紅外頻率選擇表面（FSS），該FSS由兩個外側(cè)六邊形內(nèi)側(cè)圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成。CST電磁軟件仿真結(jié)果表明，該FSS在中遠(yuǎn)紅外兩個大氣窗口內(nèi)的平均透過率低于5%，實現(xiàn)了中遠(yuǎn)紅外的雙阻帶。采用表面電流分析法分析了該FSS的濾波機理，該結(jié)構(gòu)通過屏內(nèi)單元間的耦合形成對稱電流模式，使散射場增強，透過率降低，形成了相應(yīng)波段的阻帶。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有極化穩(wěn)定性，且對于不同入射角的TE波具有良好的角度穩(wěn)定性，介質(zhì)層厚度和損耗角正切值對傳輸特性影響較小，介電常數(shù)對其影響較大。

中遠(yuǎn)紅外；大氣窗口；頻率選擇表面；傳輸特性

0 引言

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展，飛機在微波波段的隱身效果已經(jīng)達(dá)到了較高的水平[1]，然而因飛機發(fā)動機工作、氣動摩擦均會產(chǎn)生熱量，形成與大氣明顯不同的紅外輻射，而促使紅外探測技術(shù)和紅外制導(dǎo)武器的飛速發(fā)展，飛機在紅外波段的隱身技術(shù)顯得尤為重要[2]。目前，飛機紅外隱身大部分還是依靠涂覆低發(fā)射率材料來實現(xiàn)，所以易受材料種類和自身性能的限制[3]。

頻率選擇表面（frequency selective surface, FSS）作為一種人工結(jié)構(gòu)功能材料，是一種由金屬貼片單元或是金屬屏上孔徑單元在加載介質(zhì)上按照一定規(guī)律排列而成的無限大陣列結(jié)構(gòu)[4-6]。FSS對特定頻率的入射波呈現(xiàn)出明顯的帶阻或帶通特性[7]。在微波波段，F(xiàn)SS能夠降低雷達(dá)、制導(dǎo)艙、機艙罩的雷達(dá)散射面積（radar cross section, RCS）；而在紅外波段，F(xiàn)SS能夠降低目標(biāo)在特定波段比如大氣窗口內(nèi)的紅外輻射，實現(xiàn)紅外隱身的效果[8-9]。在介質(zhì)表面周期性排列金屬貼片單元的貼片型FSS在特定的波段內(nèi)具有高反射特性，也可以通過設(shè)計分形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多波段的高反射效果[10-12]。

目前，資料給出的結(jié)構(gòu)多為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，加工困難[13-16]。本文針對紅外探測所關(guān)注的第二個和第三個大氣窗口，即中紅外和遠(yuǎn)紅外大氣窗口，設(shè)計了易于加工的基于六邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的雙阻帶頻率選擇表面，實現(xiàn)了中、遠(yuǎn)紅外兩個大氣窗口的低透過率，并對介質(zhì)層屬性的影響進行了分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

為了實現(xiàn)在中遠(yuǎn)紅外大氣窗口的低透過率并減少貼片材料的使用量，本文設(shè)計了如圖1所示的外側(cè)六邊形內(nèi)側(cè)圓形的頻率選擇表面。如圖1(a)所示，該結(jié)構(gòu)的中間層為介質(zhì)基板，其材料為無損耗材料MgF2，介電常數(shù)r＝1.9，兩側(cè)為具有相同周期結(jié)構(gòu)且厚度相同的金屬貼片，其材料為化學(xué)性能穩(wěn)定且發(fā)射率較低的金。圖1(a)中虛線所包圍的區(qū)域為最小結(jié)構(gòu)單元，圖1(b)為最小結(jié)構(gòu)單元的正視圖，圖1(c)為最小結(jié)構(gòu)單元的側(cè)視圖。經(jīng)商業(yè)仿真軟件CST（computer simulation technology）仿真，對結(jié)果進行優(yōu)化后，最終確定結(jié)構(gòu)參數(shù)為1＝0.8mm，2＝1.5mm，3＝1.6mm，1＝0.5mm，2＝1.1mm，1＝1mm，2＝0.1mm。

2 仿真與分析

由圖2可見，該FSS的透過率曲線在3～5mm和8～14mm兩個大氣窗口的平均透過率均低于5%，形成了中遠(yuǎn)紅外的雙阻帶，并且具有陡降截止的特性。并且在吸收率曲線中可以看到在6mm附近出現(xiàn)了吸收峰。由圖3可見，TM波與TE波的透過率曲線幾乎完全重合，這說明該結(jié)構(gòu)具有較強的極化穩(wěn)定性。

2.1 帶阻機理分析

當(dāng)電磁波入射到FSS表面時，F(xiàn)SS表面會激發(fā)出表面電流，表面電流進而產(chǎn)生的散射場會影響電磁波的透過率[17]。下面通過表面電流的分布情況來分析結(jié)構(gòu)在中、遠(yuǎn)紅外的濾波機理。

為解釋在遠(yuǎn)紅外形成阻帶的原因，通過CST進行仿真，得到了10.62mm處的表面電流分布情況，如圖4所示。圖4(a)為頂層FSS的表面電流分布情況，圖4(b)為底層FSS的表面電流分布情況，觀察可以發(fā)現(xiàn)頂層和底層的表面電流中強度較高的位置都在外側(cè)環(huán)上，且頂層表面電流的強度明顯高于底層。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，我們初步認(rèn)為，10.62mm處所對應(yīng)的頻點，剛好位于外側(cè)環(huán)諧振的中心頻率，因此在外側(cè)環(huán)上產(chǎn)生的諧振更加強烈，進而外側(cè)環(huán)相對內(nèi)側(cè)環(huán)表面電流強度更高，又因為用CST仿真軟件進行仿真時，設(shè)置的電磁波入射方向為沿min方向，即從max方向入射，所以頂層受電磁波影響更加強烈，進而頂層表面電流的強度高于底層。頂層和底層外側(cè)環(huán)上所激發(fā)的表面電流方向相反，而每個結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生同向?qū)ΨQ分布的表面電流，說明這是由于屏內(nèi)單元間的耦合形成了對稱電流模式，使相關(guān)波段的透過率降低，形成了遠(yuǎn)紅外波段的阻帶。

圖1 FSS結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 TM波入射時FSS的光譜特性曲線

圖3 不同極化方式入射的透過率曲線

圖4 10.62mm處表面電流分布

為解釋在中紅外形成阻帶的原因，通過CST進行仿真，得到了4.19mm處的表面電流分布情況，如圖5所示，其中圖5(a)為頂層FSS表面電流的分布情況，圖5(b)為底層FSS表面電流的分布情況，觀察可以發(fā)現(xiàn)，該波長處內(nèi)側(cè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的表面電流強度較高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與10.62mm處相似，4.19mm所對應(yīng)的頻點，正好位于內(nèi)側(cè)環(huán)諧振的中心頻率附近，因此在內(nèi)側(cè)環(huán)上產(chǎn)生的諧振更加強烈，進而內(nèi)側(cè)環(huán)上的表面電流更加明顯。與10.62mm處相似，頂層的表面電流強度依然高于底層結(jié)構(gòu)，兩層表面電流的傳輸方向相反，單側(cè)表面電流形成同向的對稱分布，同樣是由于屏內(nèi)單元間的耦合形成了對稱電流模式，改變了中紅外波段的透過率，形成了中紅外波段的阻帶。

總之，中、遠(yuǎn)紅外兩個阻帶的形成均是由于屏內(nèi)單元間的耦合形成了對稱電流模式，改變了相應(yīng)波段的透過率，進而形成了中、遠(yuǎn)紅外兩個波段的阻帶。

2.2 入射角對FSS傳輸特性的影響

考慮到大多數(shù)情況下電磁波并不會垂直入射到FSS的表面，所以對不同入射角下FSS的傳輸特性的研究也尤為重要。圖6為TE波和TM波以不同角度入射到FSS表面時的透過率曲線，從圖6(a)中可以看出，當(dāng)TM波的入射角從0°增加到60°時，3～5mm波段的透過率曲線明顯向長波方向移動，且?guī)捗黠@減小，8～14mm的透過率曲線向短波方向有明顯的移動。此時，通過分析TM波入射時的吸收率曲線，如圖7(a)所示，發(fā)現(xiàn)在3～4mm出現(xiàn)了高階吸收，使得在入射角變化時3～4mm的透過率出現(xiàn)了波動，對中紅外的阻帶效果產(chǎn)生了影響。如圖6(b)所示，當(dāng)TE波的入射角從0°增加到60°時，F(xiàn)SS的諧振點位置無較大變化，3～5mm波段的透過率曲線向長波方向有較小的移動，8～14mm波段的透過率曲線向短波方向有較小的移動且?guī)挏p小，但整體依然保持著較低的平均透過率。與TM波相比，TE波具有較好的角度穩(wěn)定性。對TE波在非大氣窗口透過率降低，且出現(xiàn)一個在6mm附近的透過峰的現(xiàn)象，通過CST仿真FSS的反射率和吸收率，反射率曲線如圖7(b)所示，且做出如下解釋，隨著入射角的增大，該FSS在5～7mm附近的吸收率變化不大，而反射率隨之增大。所以當(dāng)TE波的入射角從0°增加到60°時，6mm附近出現(xiàn)的透過峰，是由于隨著入射角的增大，6mm附近的反射率不斷增大導(dǎo)致的。

3 介質(zhì)層屬性對FSS傳輸特性的影響

3.1 介質(zhì)層厚度對傳輸特性的影響

為了研究介質(zhì)層厚度對該FSS傳輸特性的影響，分別對介質(zhì)層厚度為0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.2mm和1.5mm時的結(jié)構(gòu)進行了仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，介質(zhì)層厚度的變化對3～5mm和8～14mm兩個大氣窗口范圍內(nèi)的平均透過率影響不大，而在5～7mm范圍內(nèi)隨著介質(zhì)層厚度的增大，透過率有所降低。

3.2 介質(zhì)層介電常數(shù)對傳輸特性的影響

圖5 4.19mm處表面電流分布

圖6 不同入射角時FSS的透過率曲線

圖7 不同入射角時FSS的吸收率和反射率曲線

圖8 介質(zhì)層不同厚度時FSS的透過率曲線

圖9 介質(zhì)層不同介電常數(shù)時的FSS透過率

3.3 介質(zhì)層損耗角正切值對傳輸特性的影響

介質(zhì)損耗角正切值又稱介電損耗角正切，指的是電解質(zhì)在單位時間內(nèi)每單位體積將電能轉(zhuǎn)化為熱能以發(fā)熱的形式而損耗的能量，是一個用來表征電解質(zhì)對電能損耗大小的物理量。該部分通過改變介質(zhì)層的損耗角正切值，分析了該FSS的傳輸特性，得到的透過率曲線如圖10所示。分析曲線可得，隨著介質(zhì)層損耗角正切值的增大，中遠(yuǎn)紅外兩個大氣窗口的透過率依然很低，且兩個阻帶的位置未發(fā)生偏移，諧振點位置基本保持不變，這說明介質(zhì)層的損耗角正切值并不會對阻帶產(chǎn)生影響。但是在5～8mm非工作波段的透過率隨損耗角正切值的增大而不斷減小，分析該波段反射率和透過率后發(fā)現(xiàn)，非工作波段透過率的減小是由于隨損耗角正切值的增大該波段的吸收率不斷增大所導(dǎo)致的。所以在實際應(yīng)用時，可以選取損耗較小的材料，以減小對非工作波段透過率的影響。

圖10 不同損耗角正切對應(yīng)的FSS透過率

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于外側(cè)六邊形內(nèi)側(cè)圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的雙阻帶紅外頻率選擇表面，通過CST進行仿真，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在中遠(yuǎn)紅外即3～5mm和8～14mm兩個工作波段的低透過率效果。該結(jié)構(gòu)具有良好的極化穩(wěn)定性，使用TM波和TE波時所得到的仿真結(jié)果相似。改變?nèi)肷浣嵌葧r，TE波的仿真結(jié)果在兩個大氣窗口依然能保持較低的透過率，說明了該結(jié)構(gòu)對TE波具有良好的角度穩(wěn)定性。進而研究了介質(zhì)層屬性對該FSS傳輸特性的影響，分別改變介質(zhì)層的厚度、介電常數(shù)和損耗角正切值，對其進行仿真，仿真結(jié)果表明介質(zhì)層厚度和損耗角正切值對阻帶位置和帶寬影響較小，介電常數(shù)的影響較大，隨著介電常數(shù)的增加，透過率曲線整體向長波方向移動。

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Infrared Frequency Selective Surface with Dual Stopband Based on Hexagonal Ring Structure

MENG Zhen，TIAN Changhui，HUANG Sining，F(xiàn)AN Qi，YANG Baiyu，TIAN Xiaoxia

(,,710051,)

To get low transmittance in mid-infrared atmospheric windows (3-5mm) and far-infrared atmospheric windows (8-14mm), we designed a double frequency infrared frequency selective surface (FSS). This FSS is composed of two ring structures – the outer side of the structure is a hexagon and inner side is a circle. The simulation results of CST electromagnetic software show that the average transmittance of the FSS in both mid and far infrared atmospheric windows is less than 5%; in addition, the two stopbands in infrared wavelengths are realized. The filtering mechanism of the frequency selective surface is analyzed based on the method of surface current model analysis. The structure forms a symmetrical current mode through the coupling between the unit in the screen, which enhances the scattering-field and decreases the transmission rate, forming a stopband in the corresponding band. The simulation results show that the structure has polarization stability and good angle stability for TE electromagnetic waves with different incident angles. In addition, the dielectric layer thickness and loss tangent have little effect on transmission properties, and dielectric constant has a great effect on transmission properties.

mid-far infrared, atmospheric window, frequency selective surface, transmission properties

TN213

A

1001-8891(2020)06-0528-06

2019-07-10；

2019-10-29.

孟真（1995-），男，山東肥城人，碩士研究生，主要從事紅外輻射特性與探測技術(shù)研究。E-mail：mz2917397518@163.com。

田昌會（1963-），男，陜西合陽人，教授，博士，主要從事紅外輻射特性與探測技術(shù)研究。E-mail：tchtyb001@163.com。

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目（2019JZ-40）。