一種具有雙吸收帶的頻率選擇特性吸波器

尹麗媛，薛正輝，金 城，任 武，李偉明，張彬超，呂奇皓

(北京理工大學 信息與電子學院，北京 100081)

0 引言

頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，FSS)作為空間電磁波濾波器，在雷達和通信系統中有著廣泛的應用[1-5]。電磁波吸收器是基于其對電磁波的反射或透射的濾波功能實現無線通信、傳感器及輻射防護等領域的各種應用價值，例如抵消復雜環境電磁干擾和飛行器隱身功能等方面。大部分電磁波吸收器的設計指標及應用要求涉及大帶寬、低剖面和角度不敏感等特性，另外，還會要求雷達截面積(Radar Cross Section，RCS)縮減達到10 dB以上[6-7]。因此，傳統的電磁波吸收器，如Salisbury結構和Dallenbach結構可能無法滿足上述需求。

為此，新型電磁波吸收器成為研究的熱門方向，目前存在的電磁波吸收器的設計大致可以分為2大類：一類是級聯2層具有吸收性和透射性的二維FSS結構[9]，另一類是三維FSS結構，通常使用平行板結構組成，具有吸收和投射特性的功能，通過調整結構空間位置、物理尺寸以及加載有源器件等方式實現所需吸波器的性能[10]。二維FSS結構優勢在于具有較低的剖面，然而存在帶寬較窄、插入損耗較大以及大角度入射響應不穩定性等缺點。三維FSS結構加工較復雜，但其優越的寬帶性能、低插入損耗以及斜入射不敏感性都大大拓寬了三維FSS結構的應用范圍[11-14]。近年來，很多論文對三維的電磁波吸波結構進行了研究，在文獻[15]中采用了大量的集中元件用來設計頻率選擇吸波器，在得到單獨的吸收帶的同時給加工帶來較高的花費，并且還設計了另一種吸波器，通過加入有損和無損的諧振器實現了一個傳輸窗口和2個吸收帶，然而吸收帶只有一個反射零點，因此帶寬相對較小。文獻[16]設計了一款AFST，該設計無需集總元件，而且可以實現所需要的較寬的吸收帶寬，然而結構設計較為復雜，對加工技術要求很高，實現較為復雜。對于二維FSS結構，文獻[17]提出的吸波器具有雙吸收帶，而且利用具有雙極化特征的平行腔的二維周期陣列設計，然而其剖面較高。

因此，為了充分利用電磁波吸收器的濾波特性，拓寬其應用范圍，有必要開發一種新的電磁波吸收器結構，實現寬帶吸波、低插入損耗以及斜入射魯棒性，并且盡可能地保持電磁波吸收器結構的低剖面。

本文提出了一種雙吸收帶的三維吸收性的頻率選擇傳輸(AFST)結構，該結構采用平行板波導(PPW)和嵌入片式電阻器的彎曲金屬條實現。在2段雙吸收帶中間實現較低插入損耗的傳輸性能，同時具有入射角度不敏感特性，其結構無接地設計，便于實際測試。下面給出結構的等效電路以解釋本文的設計原理，仿真用于驗證其原理的有效性和所提出的結構的吸收-傳輸-吸收特性。

1 工作原理

提出的AFST單元結構如圖1所示，圖1(a)是三維視角圖，圖1(b)是對結構延Z軸進行剖分的側視圖。

(a) 三維視角圖

由圖1可以看出，單元的周期為P，沿著x軸和y軸的高度為H，由2層結構分別作為吸波和傳輸電磁波的功能實現。吸波層由4個嵌入電阻片的“門”字型金屬條貼在內層介質層組成，其中，金屬條的長度為Ls=2×l1+l2，寬度為w，內層介質層的厚度為t1，介電常數為εr1，電阻器阻值設置為500 Ω。傳輸層由平行板波導組成貼在外層介質板的內側，平行板有2個長度分別為ls1和ls2的縫隙。外層介質板的厚度為t2，介電常數為εr2。結構的幾何參數如下：H=18 mm，P=7 mm，l2=4.3 mm，t1=0.5 mm，εr1=4.4，w=0.38 mm，t2=1 mm，εr2=2.2，ws=1 mm，ls1=9 mm，ls2=6 mm。

為了分析提出的結構的設計思路，給出其等效電路，如圖2所示。該等效電路可看作由吸收層和傳輸層2個網絡級聯而成。在該電路中，嵌入電阻器的“門”字型金屬條和平行板波導結構分別使結構產生吸波和傳輸電磁波的特性。具體來說，彎折的金屬條可以等效為一個斷開的傳輸線，Zs,θs表示其特征阻抗和電長度。輸入阻抗Zin_s隨著頻率的變化而變化，當電長度等于λ/4(θs=π/2)和3λ/4(θs=3π/2)時，Zin_s為0；當電長度等于λ/2(θs=π)時，Zin_s無限大，相當于開路[18]。L1,C1和L2,C2為等效平行板波導結構的2個縫隙等效的電感和電容，可根據文獻[19]計算得出。該等效電路的具體參數如下：L1=14.44 nH，C1=0.042 pF，L2=3.3 nH，C2=0.306 pF，R=500 Ω，Z0=377 Ω。

圖2 等效電路

傳輸路徑的傳輸線部分的特征阻抗為Z2，電長度為θ2，其值可以通過物理尺寸計算得到[19]。另外，C3表示平行板波導結構和空氣的間隔所產生的等效電容，即：

(1)

通過對上述等效電路分析，得到由2個子網絡級聯而成的傳輸矩陣：

(2)

(3)

式中，YFSS為損耗結構部分的導納，可以由式(4)計算得到：

(4)

因此，整個等效電路的阻抗為：

Z=ZⅠ+ZⅡ，

(5)

S參數可以由上述公式聯合求出。

2 仿真驗證

由Advanced Design System(ADS)計算和ANSYS HFSS的周期性邊界條件下得到的仿真S參數曲線對比如圖3所示。

圖3 設計的AFST的等效電路(ADS)和HFSS仿真得到的S參數對比

該S參數給出了提出的AFST結構的傳輸和吸收特性。從圖3中可以看到，S11在4～9 GHz的頻段內都低于-10 dB，且在4.2～8.26 GHz 的頻段內出現了一個傳輸極點和4個反射零點。這些傳輸極點和反射零點，分別構成了一個傳輸通帶和2個吸收帶。因此，AFST結構可實現雙吸收帶分布在傳輸通帶高低頻兩側的特性。具體來說，可以從圖3中看到ft為傳輸極點，在其附近形成了一個傳輸通帶，4個fai(i=1,2,3,4)反射零點構成2個寬吸收帶，即fa1和fa2構成低頻吸收帶，fa3和fa4構成高頻吸收帶，分別位于傳輸通帶的兩側。

結合等效電路分析，當電磁波照射在AFST結構上時，2個平行電路L1,C1和L2,C2在fa2和fa3處諧振，得到一個位于中間的傳輸通帶；當彎折金屬條等效的電長度等于λ/4(θs=π/2) 和 3λ/4(θs=3π/2)時，AFST結構分別產生了另外2個反射零點fa1和fa4，從而達到了展寬吸收帶帶寬的作用。

從圖3中可以看到，ADS和HFSS的仿真結果具有很高的一致性，說明提出的等效電路模型是有效的。同時，從仿真結果可以看到，AFST結構的工作頻段在4.2～8.15 GHz，其中，通帶插入損耗在-3 dB以內的為5.2～5.75 GHz，相對帶寬為10.05%。2個吸收帶位于傳輸帶的高低頻兩側，分別為4.2～5.2 GHz和5.75～8.26 GHz，由于4個反射零點的存在，使得2個吸收帶達到了較寬的帶寬，其相對帶寬分別為21.28%和35.83%。整個工作頻段內，S11都低于-10 dB。

為了考察本結構對電磁波斜入射的敏感性，針對提出的AFST對不同的入射角度(0°～40°)的變化進行了仿真，其結果如圖4所示。可以看出，在入射角40°以內，其S參數響應都可以保持較好的穩定性，說明設計的AFST結構對斜入射具有較好的魯棒性。

圖4 在不同入射角度的S參數仿真結果

3 設計流程

為了實現雙吸收帶位于通帶兩側的特性，將通帶和吸收帶的結構分開設計。首先通帶路徑,也就是傳輸層,是由貼在外層介質板的內側金屬貼片與相鄰周期性單元的該結構組成的平行板波導結構形成，金屬貼片設計有2個長度不同、寬度相同的縫隙，主要為了實現通帶的調節功能。

吸收帶的實現是通過嵌有電阻器的彎折的“門”字型金屬條吸收電磁波。彎折的金屬條可以等效為一個斷開的傳輸線，輸入阻抗Zin_s隨著頻率的變化而變化，當等效的電長度為不同的值時，其等效的輸入阻抗也會呈現不同的值。具體來說，當電長度等于λ/4(θs=π/2) 和 3λ/4(θs=3π/2),Zin_s為0，相當于短路；當電長度等于λ/2(θs=π)時，Zin_s無限大，相當于開路[18]。由此，當電磁波照射在AFST結構上，當Zin_s為0時，電磁波通過電阻R，使得電磁波被電阻消耗從而達到吸收電磁波的功能；當Zin_s無限大時，由于此時相當于短路，電磁波無法通過吸波路徑，從而從通帶路徑穿過，達到了傳輸電磁波的特性。

通過分別設計傳輸和吸收路徑的結構,最后可以得到一個中間傳輸通帶、兩側吸收帶特性的AFST結構。同時，該結構具有斜入射穩定性，即在斜入射角度不高于40°時，其S參數響應曲線變化較小，說明本文所設計的AFST結構具有入射角度穩定的特性。

4 結束語

本文提出了一種新的AFST結構，它具有2個位于寬通帶兩側的寬吸收帶。其通過對平行板波導結構進行開縫處理得到傳輸帶，對“門”字型的彎折金屬帶嵌入電阻器實現雙吸收帶，通過對其等效電路的分析驗證了設計理論，同時給出了AFST結構的設計流程。經過ADS和HFSS仿真驗證了所提出的等效電路模型的有效性，以及設計AFST結構具有雙吸收帶和中間通帶的特性，同時具有入射角度不敏感特性。本文所設計結構具有中心對稱特性，因此后續研究可能會圍繞極化特性進行，同時對結構進行加工測試，驗證本文的理論設計原理。