電路模擬吸波材料

1、電路模擬吸波材料中FSS的研究進(jìn)展1 引言引言l 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)是主要的探測(cè)手段，所以為了應(yīng)對(duì)雷達(dá)，各國(guó)都在加大雷達(dá)隱身武器的研究，技術(shù)核心就是減小雷達(dá)散射截面（RCS）,而降低RCS的主要手段就是在雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)上運(yùn)用吸波材料。隱身飛機(jī)，隱身潛艇，隱身導(dǎo)彈，隱身坦克的相繼出現(xiàn)使得現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入新的領(lǐng)域。除了軍事方面，由于現(xiàn)在電子設(shè)備的大量運(yùn)用，設(shè)備之間的電磁干擾的出現(xiàn)也影響著其運(yùn)行。于是民用方面的吸波也有大量的運(yùn)用，如安全防護(hù)、抗電磁波干擾、微波暗室、信息保密和電磁兼容等。1 引言引言l 對(duì)于吸波材料的主要要求就是：薄 寬 輕 強(qiáng)近年來(lái)，各國(guó)科研人員加大了對(duì)吸波材料的研究，出現(xiàn)了各種新型的吸

2、波材料，如電路模擬材料吸波、納米材料吸波、智能材料和手性材料等。本文主要介紹了近年來(lái)在電路模擬吸波材料中頻率選擇表面（FSS）的研究進(jìn)展。 2 吸波機(jī)理吸波機(jī)理l 目前對(duì)于吸波的各個(gè)研究都是圍繞兩個(gè)要素 :一：最大限度的吸入入射波而不被反射；二：能迅速的使進(jìn)入內(nèi)部的電磁波被吸收衰減 。l 首先要使電磁波最大限度的進(jìn)入材料內(nèi)部而不被反射需要進(jìn)行阻抗匹配，即采用特殊的邊界條件與空氣阻抗匹配。對(duì)于垂直入射的電磁波，要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，涂層的相對(duì)磁導(dǎo)率 要和相對(duì)介電常數(shù) 相等。 2 吸波機(jī)理吸波機(jī)理l 電磁場(chǎng)的傳輸理論，對(duì)于單層吸波結(jié)構(gòu)有： l 其中Z為電阻層阻抗， 為介質(zhì)的本證阻抗， 為傳播常數(shù)。涂層表

3、面振幅反射率 可用下式計(jì)算：l 其中 為自由空間的波阻抗，所以有上面公式可得當(dāng) 時(shí)，反射系數(shù)為0。所以符合阻抗匹配的條件 。tan()tan()sinsjZ ZdZZjZd 00ininZZZZ 0ZsZ0inZZ2 吸波機(jī)理吸波機(jī)理l 其次是電磁波進(jìn)入吸波涂層后吸波涂層需要足夠高的電磁損耗，使得電磁波迅速的衰減轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能和其他的一些能量即材料需要足夠大的介電常數(shù)虛部或磁導(dǎo)率虛數(shù)。一般吸收型涂層的反射率不為0，但是它比干涉型涂層的響應(yīng)頻帶要寬。 3 頻率選擇表面（頻率選擇表面（FSS）l 將有耗介質(zhì)和FSS（電路屏）復(fù)合成的吸波材料叫做電路模擬吸波材料，F(xiàn)SS通常是二維周期性的貼片、孔

4、徑或槽型的電振子結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)對(duì)不同頻率的電磁波有不同的反射能力，所以FSS可以選擇性的過(guò)濾電磁波。如前面提到的，F(xiàn)SS的單元可以是貼片、孔徑或槽型，F(xiàn)SS單元幾何形狀比較豐富，如偶極子形、十字形、方形、圓形或Y形，還有一些六邊形和最近的一些雙方形 （如下圖）3 頻率選擇表面（頻率選擇表面（FSS）l 3 頻率選擇表面（頻率選擇表面（FSS）l 從報(bào)導(dǎo)的來(lái)看按材質(zhì)FSS通常分為金屬型和電阻型。3 頻率選擇表面（頻率選擇表面（FSS）l 不同類型的FSS單元基本上呈現(xiàn) 4 種標(biāo)準(zhǔn)的頻率特性,即帶阻、帶通、低通和高通。4類濾波器的傳輸特性見(jiàn)圖 3所示。這4種基本的濾波器可以通過(guò)混合設(shè)計(jì)而產(chǎn)生其

5、它獨(dú)特性能的FSS。研究發(fā)現(xiàn)，孔徑型FSS在低頻反射來(lái)波信號(hào)，在高頻傳輸來(lái)波信號(hào)( 類似于高通濾波器)，而貼片型FSS則在低頻傳輸來(lái)波信號(hào)， 在高頻反射來(lái)波信號(hào)( 類似于低通濾波器)3 頻率選擇表面（頻率選擇表面（FSS）4 理論研究理論研究l傳輸線法 ：用等效電納代 替方格柵型FSS，采用 S.W.Lee等提出的公式計(jì) 算FSS電納，用傳輸矩陣 計(jì)算材料表面的反射率 4 理論研究理論研究l 對(duì)于單層材料而言，只有感性FSS才能減小材料表面的反射率；對(duì)于多層材料而言，利用多層結(jié)構(gòu)可不受FSS感容性的限制，可得到比單層更好的寬帶特性。傳輸線法的優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量小。缺點(diǎn)就是適用范圍小，對(duì)FS

6、S的尺寸和厚度都有要求。 4 理論研究理論研究l 有限差分（FDTD）法 ：利 用FSS周期單元模型和FSS與 有耗介質(zhì)的一系列參數(shù)，就可 計(jì)算出電路模擬吸波材料的反 射率。FDTD法的缺點(diǎn)就是占 用計(jì)算機(jī)資源大，計(jì)算周期單元的尺寸不能過(guò)大。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)性能的提高和時(shí)域差分法的逐漸成熟，F(xiàn)DTD法得到廣泛的運(yùn)用。 5 FSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)l 對(duì)于FSS的優(yōu)化設(shè)計(jì)是很一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到所研究的FSS能否符合工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一個(gè)各參數(shù)沒(méi)有明確數(shù)學(xué)關(guān)系的FSS結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一個(gè)合理、有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能節(jié)省大量的時(shí)間和人力物力。FSS優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最多的就是遺傳算法（Genetic Algo

7、rithm-GA），是基于生物遺傳學(xué)的全局優(yōu)化方法 。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)FSS吸波材料做了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)探索，也得到了一些成果。l 邢麗英等人實(shí)驗(yàn)研究了不同尺寸電路模擬結(jié)構(gòu)對(duì)吸波復(fù)合材料吸波性能的影響，結(jié)果表明：吸波復(fù)合材料體系的最大吸收峰隨電路屏尺寸n、c的增加向低頻方向偏移6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 研究了不同吸收劑含量的介 質(zhì)層體系對(duì)吸波復(fù)合材料吸波 性能的影響規(guī)律。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 然后他們通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在其它條件相同的情況下含電路模擬結(jié)構(gòu)電阻漸變吸波復(fù)合材料的吸波性能在8 18GHz范圍內(nèi)有3 5dB的提高；含電路模擬結(jié)構(gòu) “陷阱” 式吸波復(fù)合材料在厚度4m

8、m條件下，實(shí)現(xiàn)了吸波性能在818GHz頻率范圍內(nèi)吸收率12dB。在提高吸波復(fù)合材料吸波性能的同時(shí)，電路模擬結(jié)構(gòu)的引入使復(fù)合材料力學(xué)性能有一定的提高，有利于實(shí)現(xiàn)吸波復(fù)合材料的吸波承載一體化。 6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 周永江等人用有限元法對(duì)十字型電阻貼片頻率選擇表面吸收體的吸波性能進(jìn)行了研究，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。并且他們通過(guò)改變十字型電阻貼片F(xiàn)SS的周期排列方式、周期尺寸、FSS單元的 尺寸、FSS的方阻、介質(zhì)層 厚度均來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其吸收峰的位 置、峰值以及帶寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l Yanan Sha等分析了不同F(xiàn)SS圖案及FSS在碳纖維復(fù)合材料中的位置對(duì)反射特性的影響，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和MG

9、A法所的理論結(jié)果做了對(duì)比，兩者具有較好的一致性。l 張朝發(fā)等人也同樣研究了圓形、六邊形和Y形的頻率選擇表面復(fù)合材料的微波吸收特性。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 曲線圖表明：減小圓環(huán)的半徑R和排列周期D有利于拓展吸波材料的有效吸收帶寬，同時(shí)使材料的最大吸收峰向高頻段移動(dòng)，而對(duì)材料的吸收率影響不明顯。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 下圖表明六邊形的排列周期D會(huì)使材料的反射率明顯增大，對(duì)材料的有效吸收帶寬和反射率峰值的位置影響不大。六邊形的邊長(zhǎng)L存在最佳值，適當(dāng)減小，可以增加材料的有效吸收帶寬，L過(guò)小會(huì)惡化材料的吸波性能。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l Y的臂長(zhǎng)和排列周期影響材料反射率峰值的大小和位置，減小周期可以增加高頻段的吸收性

10、能，同時(shí)增加材料的有效帶寬。與圓環(huán)和六邊形不同之處在于，減小“Y”環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)(臂長(zhǎng)和周期)，可以降低材料的反射率，這樣選擇合適的臂長(zhǎng)和周期，可使含“Y”環(huán)FSS結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在高頻段范圍內(nèi)具有較好的吸波性能6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 以上的研究基本上都是著眼于FSS單元的形狀和尺寸等一些幾何參數(shù)的改變對(duì)吸波特性的影響?？傮w來(lái)看，改變這些參數(shù)對(duì)材料的吸波特性有較密切的影響。下面是對(duì)FSS材料改性的一些研究。 6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 寇松江等人設(shè)計(jì)一款具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料， 并使用CST電磁仿真軟件對(duì)其進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)使用不同電阻加載(即改變PIN管的偏置電流) 時(shí)，該結(jié)構(gòu)的吸波頻率隨之改

11、變，從而實(shí)現(xiàn)吸波頻率可控的目的。 6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 姚承照等人通過(guò)多層電路屏、摻雜電損耗介質(zhì)、磁損耗介質(zhì)層組合、磁電損耗組合的方法，對(duì)電路模擬結(jié)構(gòu)吸波材料在21 8GHz區(qū)間電磁損耗帶寬的拓展進(jìn)行了初步探索。下面四個(gè)圖分別表明：1多層電路屏不僅能夠有效拓展材料的吸波帶寬，同時(shí)可以提高材料的吸波效率；2電損耗介質(zhì)損耗粒子的添加，能夠提高多層電路屏的吸波帶寬和吸波效率；3磁損耗介質(zhì)層的組合，能夠提高多層電路屏的有效損耗帶寬和損耗效果；4磁損耗介質(zhì)層的組合可以大幅提高該結(jié)構(gòu)的吸波效率，并能夠拓展高損耗的帶寬。6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 6 實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀l 結(jié)果證明：四種方法都能夠提高電路模擬吸波材料的有效

12、吸波帶寬，并能夠不同程度地提高材料的吸波效率。多層電路屏、摻雜電損耗介質(zhì)的多層電路屏、組合磁損耗介質(zhì)層的多層電路屏、組合磁損耗介質(zhì)層和電損耗介質(zhì)的多層電路屏，其反射率-5 d B的帶寬較單層電路屏的1.2 GHz分別增加了6.4、1 0.6、9.6、1 0.6GHz，最小反射率分別達(dá)到-8、-1 0、-l 2、-25dB。 7 總結(jié)與展望總結(jié)與展望l 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于FSS主流的研究方法就利用有限差分法對(duì)設(shè)計(jì)的FSS參數(shù)進(jìn)行建模數(shù)值分析，得出理想的吸波特性，然后再根據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)制備，對(duì)制得材料進(jìn)行吸波性能測(cè)試。再將實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)與建模分析進(jìn)行對(duì)比，這樣可得出設(shè)計(jì)的FSS結(jié)構(gòu)可靠性與否。但是目前還沒(méi)有一個(gè)理論能系統(tǒng)的解釋電路模擬吸波機(jī)理。對(duì)此還需要更為深入的研究。7 總結(jié)與