一类新型可控吸波材料的研究.pdf
http:/ -1-一类新型可控吸波材料的研究一类新型可控吸波材料的研究 郑罡1，喻志远2 电子科技大学物理电子学院 610054 E-mail:1adol_ 中文摘要：中文摘要：本文研究在频率选择表面中加载可控阻抗这一类新型吸波材料的性能，并且通过传输线模型进行了定性分析，最后提出了一种新的频率选择表面加载可控阻抗的吸波结构，数值仿真表明这种结构吸收性能良好，吸收带宽较宽。这类吸波材料对于电磁波反射具有灵活的可控特性，必将在军用和民用上得到广泛应用。关键词：关键词：吸波材料，频率选择表面，加载 1 引言 1 引言 吸波材料一开始主要应用在军用上，用于吸收从雷达发射过来的探测电磁波，从而来达到一种隐身的效果。对它的研究起源于第二次世界大战期间的德国，而后在美国等西方国家及日本得到进一步发展1。传统的吸波材料一旦结构给定，其吸波性能也就给定了。然而随着现代科技的迅速发展，现代电子战中的科技竞争日益激烈，传统的这种被动式的吸波材料将难以适应实战时千变万化的复杂电磁环境。此外吸波材料在民用上的应用也日益广泛。这就要求一种吸波材料能够同时满足多种不同的需求，如果能够找到一种可调节的吸波材料结构，那么将大大增强吸波材料的可用性，降低吸波材料的成本，这是非常有意义的。这就要求人们跳出传统吸波材料的设计思维，从另一些途径来寻找吸波材料的结构。国外学者提出了一种新的有源吸波材料的结构，他在传统的频率选择表面中引入了 PIN二极管,对二极管施加不同的直流偏置改变二极管的阻值，来达到控制吸波材料的吸波特性234。其结构如下图：图 1 示意图 由左图所示的单元结构组成阵列如右图，从而构成了整个吸收表面。这种吸波材料与普通吸波材料不同，普通的吸波材料是靠介质本身的电阻性或磁阻性将入射过来的电磁波的能http:/ -2-量转换为热能，从而达到吸波的作用。然而普通的吸波材料一旦结构给定后，其吸波性能就将固定下来了，不能改变，所以是非常不灵活的。而在吸收材料中引入二极管，利用二极管的阻性的状态是可控的这一特点，来达到控制整个吸波材料性能的效果。2 理论定性分析 2 理论定性分析 下面对这种有源吸波材料进行定性分析。该结构是在频率选择表面上加载电阻得到的。频率选择表面对频率具有筛选的作用。在一定频率范围内，频率选择表面将引起谐振，产生较强的谐振电流。当加载了电阻后，在谐振频率附近所产生的较强的电流，被加载的电阻吸收，从而达到了吸收入射波能量、减小反射的效果。采用传输线模型，整个频率选择表面可等效为下图电路模型。图 2 等效电路模型 其中金属地可以等效为短路面，介质层可以等效为一段传输线，而频率选择表面因为较薄，所以可以看成是集总参数阻抗。短路面通过介质层接到频率选择表面上，阻抗表现为：()hkjZZfftan=其中fZ为介质层的本征阻抗，fk为介质层的传播常数，h为介质层的厚度。因为介质层相对于波长较薄，所以可以进一步进行化简，可以看到金属板的接入相当于接入了一个电感hL=，若不考虑电阻的话，以空气与吸波层界面为参考面，从参考面向右看，得输入导纳为：LjYYfss1+=当频率选择表面表现为一定容性时就会产生谐振。在谐振点上，电阻负载将吸收掉大量的电磁波能量。并且从天线的角度看，这种吸波材料可是看成是平面三角偶极子天线所组成的一种阵列。平面三角偶极子天线是一种具有宽带特性的天线。如果在这种天线阵列的单元中加载适当的负载后，就有可能在较宽的频段内，对入射到阵列附近的电磁场能量进行吸收，从而达到吸波的效果。3 数值实验 3 数值实验 对此我们进行了数值仿真，如下图所示采用了 4 乘 4 个单元进行数值仿真测试，单元所加载可控电阻的阻值设为 100 欧姆，基底介质是相对介电常数为 2.7 的无耗介质，背部接金http:/ -3-属板。吸波材料厚度约为 4mm，其中金属板厚度为 0.1mm,介质层厚度为 4mm。整块板子尺寸为长 61mm，宽 55mm。设置垂直入射平面电磁波入射到这块吸波板上，观察其 RCS 图，并与相同尺寸的金属板的 RCS 做了比较。结构图如下所示：图 3 正面图 图 4 侧面图 图 5 12.8GHz，phi=90 度的垂直面 RCS 图 http:/ -4-图 6 由三角对单元组成的吸波材料对后向 RCS 产生影响的对照曲线 平面波沿垂直交界面方向入射。图 5 为 12.8GHz，phi=90 度的垂直面 RCS 图，其中红线为加了吸波材料的金属板 RCS 图，绿线为没有加吸波材料的金属板 RCS 图。可见由于这种吸波材料的引入，使得在 theta=90 度时的 RCS 大大地减少了，并且该角度附近的 RCS 也下降到-25dBsm 以下，从而达到了吸波效果。从图 6 可以看到在金属板上采用这种吸波材料，将在 2GHz 至 18GHz 频段内减少金属板的后向 RCS。其中 12.8GHz 和 14.8GHz 处发生谐振，大大地降低了金属板后向 RCS，特别是 12.8GHz 处，下降接近至-40dBsm。之后我们提出了一个新的吸波材料结构。它的结构如下图 7、8 所示，我们采用 3 乘 3个单元进行数值仿真测试，整块板子尺寸为长 37mm,宽 35mm，厚度约为 4mm，其中基底厚度为 4mm，采用相对介电常数为 2.7 的无耗材料，后接金属底板，金属底板厚度为 0.1mm。单元中所加载可控电阻的阻值调到 31 欧姆。设置垂直入射平面电磁波入射到这块吸波板上，观察其 RCS 图，并与相同尺寸的金属板的 RCS 做了比较，得到如图 9、10 所示的仿真结果。http:/ -5-图 7 正面图 图 8 侧面图 图 9 9GHz，phi=90 度的垂直面 RCS 图 http:/ -6-图 10 由半圆对单元组成的吸波材料对后向 RCS 产生影响的对照曲线 平面波沿垂直于交界面方向入射。图 9 显示了 9GHz 谐振处的 phi=90 度的垂直面 RCS 图，并与相同尺寸无吸波材料的金属板 RCS 图做了比较。从图 9 中我们可以看到，因为在金属板上引入了这种吸波结构，使得金属板上方的 RCS 从-18dBsm 大大地降低到-35dBsm 之下。从图 10 我们可以看到，由于在金属板上添加了这种结构的吸收材料，使得金属板的后向 RCS大大降低了。从 3.5GHz 到 14GHz 的频率范围内，后向 RCS 都比表面无吸收材料的金属板小。并且从 5.2GHz 至 9.7GHz，后向 RCS 降低 10dBsm 多，相对频宽约为 50%，。特别是在 9GHz频率处，后向 RCS 降低至-40dBsm 左右。但是 9.8GHz 处后向 RCS 突然上升接近至-20dBsm，形成了一个谐振峰，以-30dBsm 为基准，谐振峰频率宽度为 150MHz 左右。此后后向 RCS 又突然下降至-35dBsm 以下。如果能够消除 9.8GHz 处的谐振峰的话，将能进一步提高吸收频段内的吸收性能。最后我们将这种新的吸波结构的单元放在波导中进行仿真测试。仿真模型如下图所示：图 11 透视图 图 12 正视图 http:/ -7-波导长宽比为 2：1。在波导一端加激励源，另一端用完纯金属封闭，并在波导中放置一个吸波结构单元，所加载的电阻从 26 欧姆变化到 226 欧姆。电磁波进入波导后，经过吸波结构单元被吸收掉一部分电磁波能量，而后经过金属壁反射回来再次被吸波结构单元吸收掉一部分电磁波能量，从而观察激励端口的 S11 参数就可以观察到吸波结构单元对电磁波的吸收情况。图 13 为仿真所得到的激励端口的 S11 曲线。观察 7GHz 到 11GHz 频率段，可见吸波结构单元对电磁波能量的吸收随着加载电阻的变化而变化。当吸波单元组成阵列从而构成整个吸波材料时，我们就能通过控制加载电阻的阻值来控制吸波材料的吸波性能。当我们用二极管来替换模型中的电阻时，我们就能通过控制二极管的直流偏置来控制阻值，从而控制吸波材料的吸波性能。另外，图 13 与图 10 进行比较，两者之间有所差别是因为波导的金属壁边界条件与自由空间的边界条件的不同所引起的，并且波导中还存在有截止频率的影响。图 13 在波导中放置吸收结构单元所得到的 S11 曲线 4 总结 4 总结 在频率选择表面上加载可控电阻来达到吸收入射电磁波的能量，这是一种设计吸波材料的新的思路。由于这类吸波材料的反射是可以控制的，因此具有非常灵活的特性，在军用和民用中具有广泛的应用前景。本文通过传输线模型简单分析了国外学者所提出在频率选择表面中加载可控阻抗的这类吸波材料，并且对其 RCS 特性进行了数值仿真分析。之后提出了一种新的加载结构，数值仿真表明这种新结构的吸波性能良好。最后通过将新的吸波结构中的单元放在波导中，验证了它对电磁波的吸收将随着加载电阻的阻值变化而变化。参考文献 参考文献 1 干涉型多层吸波材料研究干涉型多层吸波材料研究 黄爱萍 冯则坤 聂建华 何华辉 材料导报2003年4月第17卷 第4期 Pages:21-24 http:/ -8-2 A single-layer tuneable microwave absorber using an active FSS Tennant,A.;Chambers,B.;Microwave and Wireless Components Letters,IEEE see also IEEE Microwave and Guided Wave Letters,Volume:14,Issue:1,Jan.2004 Pages:46-47 3 Tunable radar absorbers using frequency selective surfaces Chambers,B.;Ford,K.L.;Antennas and Propagation,2001.Eleventh International Conference on(IEE Conf.Publ.No.480),Volume:2,17-20 April 2001 Pages:593-597 vol.2 4 Tunable single layer phase modulated radar absorber Ford,K.L.;Chambers,B.;Antennas and Propagation,2001.Eleventh International Conference on(IEE Conf.Publ.No.480),Volume:2,17-20 April 2001 Pages:588-592 vol.2 Research on a New Kind of Controllable Electromagnetic Wave Absorber Gang ZHENG and ZhiYuan YU School of Physical Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,610054 Abstract：In this paper,we research the performance of a kind of electromagnetic wave absorber.This kind of absorber is constructed with FSS loading resistance,which can be controlled.Then,we give qualitative analysis of this absorber by a TLM model.Finally,we bring forward a new structure of this kind of absorber.The numeric result shows this new structure can absorb wave well,and the band width of this new structure is wide relatively.This kind of absorber has ability of controlling the reflection of electromagnetic wave smartly,so it will be applied in military use and civilian use wildly.Keywords:electromagnetic wave absorber,FSS，load
