電路模擬吸波材料

1、電路模擬吸波材料中FSS的研究進展1 引言引言l 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達是主要的探測手段，所以為了應(yīng)對雷達，各國都在加大雷達隱身武器的研究，技術(shù)核心就是減小雷達散射截面（RCS）,而降低RCS的主要手段就是在雷達探測目標上運用吸波材料。隱身飛機，隱身潛艇，隱身導彈，隱身坦克的相繼出現(xiàn)使得現(xiàn)代戰(zhàn)爭進入新的領(lǐng)域。除了軍事方面，由于現(xiàn)在電子設(shè)備的大量運用，設(shè)備之間的電磁干擾的出現(xiàn)也影響著其運行。于是民用方面的吸波也有大量的運用，如安全防護、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 對于吸波材料的主要要求就是：薄 寬 輕 強近年來，各國科研人員加大了對吸波材料的研究，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在電路模擬吸波材料中頻率選擇表面（FSS）的研究進展。 2 吸波機理吸波機理l 目前對于吸波的各個研究都是圍繞兩個要素 :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入材料內(nèi)部而不被反射需要進行阻抗匹配，即采用特殊的邊界條件與空氣阻抗匹配。對于垂直入射的電磁波，要實現(xiàn)阻抗匹配，涂層的相對磁導率 要和相對介電常數(shù) 相等。 2 吸波機理吸波機理l 電磁場的傳輸理論，對于單層吸波結(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 可用下式計算：l 其中 為自由空間的波阻抗，所以有上面公式可得當 時，反射系數(shù)為0。所以符合阻抗匹配的條件 。tan()tan()sinsjZ ZdZZjZd 00ininZZZZ 0ZsZ0inZZ2 吸波機理吸波機理l 其次是電磁波進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 從報導的來看按材質(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 種標準的頻率特性,即帶阻、帶通、低通和高通。4類濾波器的傳輸特性見圖 3所示。這4種基本的濾波器可以通過混合設(shè)計而產(chǎn)生其

5、它獨特性能的FSS。研究發(fā)現(xiàn)，孔徑型FSS在低頻反射來波信號，在高頻傳輸來波信號( 類似于高通濾波器)，而貼片型FSS則在低頻傳輸來波信號， 在高頻反射來波信號( 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 算FSS電納，用傳輸矩陣 計算材料表面的反射率 4 理論研究理論研究l 對于單層材料而言，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)點是模型簡單、計算量小。缺點就是適用范圍小，對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 計算出電路模擬吸波材料的反 射率。FDTD法的缺點就是占 用計算機資源大，計算周期單元的尺寸不能過大。隨著近年來計算機性能的提高和時域差分法的逐漸成熟，F(xiàn)DTD法得到廣泛的運用。 5 FSS的優(yōu)化設(shè)計l 對于FSS的優(yōu)化設(shè)計是很一個很重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到所研究的FSS能否符合工程應(yīng)用標準。對于一個各參數(shù)沒有明確數(shù)學關(guān)系的FSS結(jié)構(gòu)來說，一個合理、有效的優(yōu)化設(shè)計方案能節(jié)省大量的時間和人力物力。FSS優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)用最多的就是遺傳算法（Genetic Algo

7、rithm-GA），是基于生物遺傳學的全局優(yōu)化方法 。6 實驗研究現(xiàn)狀l 國內(nèi)外的專家學者對FSS吸波材料做了大量的理論研究和實驗探索，也得到了一些成果。l 邢麗英等人實驗研究了不同尺寸電路模擬結(jié)構(gòu)對吸波復(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 實驗研究現(xiàn)狀l 研究了不同吸收劑含量的介 質(zhì)層體系對吸波復(fù)合材料吸波 性能的影響規(guī)律。6 實驗研究現(xiàn)狀l 然后他們通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，電路模擬結(jié)構(gòu)的引入使復(fù)合材料力學性能有一定的提高，有利于實現(xiàn)吸波復(fù)合材料的吸波承載一體化。 6 實驗研究現(xiàn)狀l 周永江等人用有限元法對十字型電阻貼片頻率選擇表面吸收體的吸波性能進行了研究，計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。并且他們通過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 厚度均來實現(xiàn)對其吸收峰的位 置、峰值以及帶寬進行調(diào)節(jié)。6 實驗研究現(xiàn)狀l Yanan Sha等分析了不同F(xiàn)SS圖案及FSS在碳纖維復(fù)合材料中的位置對反射特性的影響，并將實驗結(jié)果和MG

9、A法所的理論結(jié)果做了對比，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 實驗研究現(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，同時使材料的最大吸收峰向高頻段移動，而對材料的吸收率影響不明顯。6 實驗研究現(xiàn)狀l 下圖表明六邊形的排列周期D會使材料的反射率明顯增大，對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L存在最佳值，適當減小，可以增加材料的有效吸收帶寬，L過小會惡化材料的吸波性能。6 實驗研究現(xiàn)狀l Y的臂長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)(臂長和周期)，可以降低材料的反射率，這樣選擇合適的臂長和周期，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 實驗研究現(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)的改變對吸波特性的影響?？傮w來看，改變這些參數(shù)對材料的吸波特性有較密切的影響。下面是對FSS材料改性的一些研究。 6 實驗研究現(xiàn)狀l 寇松江等人設(shè)計一款具有雙方環(huán)結(jié)構(gòu)的有源電路模擬吸波材料， 并使用CST電磁仿真軟件對其進行分析。實驗表明當使用不同電阻加載(即改變PIN管的偏置電流) 時，該結(jié)構(gòu)的吸波頻率隨之改

11、變，從而實現(xiàn)吸波頻率可控的目的。 6 實驗研究現(xiàn)狀l 姚承照等人通過多層電路屏、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行了初步探索。下面四個圖分別表明：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 實驗研究現(xiàn)狀l 6 實驗研究現(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，最小反射率分別達到-8、-1 0、-l 2、-25dB。 7 總結(jié)與展望總結(jié)與展望l 目前國內(nèi)外對于FSS主流的研究方法就利用有限差分法對設(shè)計的FSS參數(shù)進行建模數(shù)值分析，得出理想的吸波特性，然后再根據(jù)參數(shù)進行實驗制備，對制得材料進行吸波性能測試。再將實際測得數(shù)據(jù)與建模分析進行對比，這樣可得出設(shè)計的FSS結(jié)構(gòu)可靠性與否。但是目前還沒有一個理論能系統(tǒng)的解釋電路模擬吸波機理。對此還需要更為深入的研究。7 總結(jié)與