曹文博,麻晢乂培,黃小忠,姜 超

(中南大學(xué) 粉末冶金研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

通信技術(shù)的發(fā)展和智能家居的普及帶來(lái)了復(fù)雜的電磁輻射問(wèn)題,電磁防護(hù)材料和技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。電磁防護(hù)材料和技術(shù)在電磁兼容、抗電磁干擾、電磁環(huán)境保護(hù)以及減小雷達(dá)探測(cè)截面積等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-6],吸波技術(shù)是目前最有效的方案?；诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的吸波體最早可追溯到Salisbury 屏,通過(guò)在導(dǎo)電底板平面上方空間放置一層電阻板,可在特定頻率下形成窄帶的電磁波吸收[7]。Jaumann 吸波體是對(duì)Salisbury 屏的延伸,通過(guò)多層電阻板來(lái)增加共振,得到更寬的帶寬,但會(huì)顯著增加結(jié)構(gòu)的整體厚度[8]。為了在較薄的厚度下得到寬頻帶吸波性能,Munk[9]提出了將頻率選擇表面(FSS)和Salisbury 屏結(jié)合,即將金屬頻率選擇表面FSS 設(shè)計(jì)為電阻膜頻率選擇表面FSS的電路模擬(CA)吸波結(jié)構(gòu),CA 層包含F(xiàn)SS 二維周期陣列結(jié)構(gòu)中的感抗和容抗以及Salisbury 屏的阻抗部分,可以使得單阻抗層[10-16]的吸波體在寬頻帶內(nèi)具有良好的阻抗匹配特性,在較薄的厚度下拓寬吸波帶寬,通過(guò)設(shè)計(jì)多阻抗層[17-22]引入多層損耗和多重共振,吸波體進(jìn)一步拓寬吸波帶寬。

Sharma 等[10]提出一種開口諧振圓環(huán)和十字相結(jié)合的電阻膜FSS 單元,結(jié)構(gòu)的厚度僅2 mm,能在8.5～16 GHz 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶吸波?；陔娮枘さ腇SS 在厚度和角度穩(wěn)定性上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但也存在方阻值難以準(zhǔn)確控制等問(wèn)題,影響了其在工程實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)程。為此,研究人員把印刷電路板技術(shù)應(yīng)用到CA 吸波體制備中,將貼片電阻加載在金屬FSS 陣列中,使CA 層的設(shè)計(jì)參數(shù)能被精確控制,提高了仿真和樣品、樣品和樣品之間的一致性。Zhang 等[12]通過(guò)設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)彎曲的金屬條FSS 單元,在寬頻帶范圍內(nèi)得到四個(gè)諧振峰,實(shí)現(xiàn)了2.68～12.19 GHz 頻帶內(nèi)的吸波。Lin 等[14]設(shè)計(jì)了一款加載有貼片電阻的風(fēng)扇狀偶極子陣列,實(shí)現(xiàn)了3.78～11.78 GHz 頻帶內(nèi)吸波在90%以上。Yao 等[17]提出了一種基于多層多共振FSS 陣列的寬帶吸波體,每層結(jié)構(gòu)都有一個(gè)特定的吸波帶,通過(guò)多層結(jié)構(gòu)間不同吸收帶的耦合,該結(jié)構(gòu)在垂直入射的條件下實(shí)現(xiàn)了1～12.9 GHz 的超寬帶吸波。呂世奇等[18]通過(guò)縱向級(jí)聯(lián)兩種不同頻段的吸波體來(lái)拓寬帶寬,上層為加載貼片電阻的梯形金屬貼片,下層為加載貼片電阻的方環(huán),可在2.24～16.14 GHz 頻帶內(nèi)-10 dB 吸波,實(shí)現(xiàn)相對(duì)帶寬為151%的超寬帶吸波。

以上結(jié)構(gòu)擁有各自的優(yōu)點(diǎn),但在兼顧輕質(zhì)、寬頻、強(qiáng)吸波的性能特點(diǎn)上都還有繼續(xù)優(yōu)化的空間,如何在不大幅增加結(jié)構(gòu)面密度和厚度的情況下盡可能地拓展吸收帶寬仍是一項(xiàng)值得研究的課題。本文基于電阻加載型電路模擬吸波結(jié)構(gòu),選取聚酰亞胺(PI)膜作為FSS 的介質(zhì)基底,聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫作為結(jié)構(gòu)支撐層,降低結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,得到了一種輕薄寬頻吸波體。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

吸波體的幾何結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。吸波體從上到下由加載有貼片電阻的FSS 層、泡沫支撐層和金屬反射層組成。FSS 層由介質(zhì)襯底和蝕刻在其表面的閔可夫斯基環(huán)組成,介質(zhì)襯底選用相對(duì)介電常數(shù)(εr)為3.15,損耗角正切(tanδ)為0.003 的PI 膜。在閔可夫斯基環(huán)陣列的四角各嵌入兩個(gè)阻值為100 Ω 的貼片電阻,以引入電阻損耗,從而吸收入射電磁波。采用PMI 泡沫作為支撐層將金屬圖案與地平面隔離,PMI由于具有較低的介電常數(shù)有利于實(shí)現(xiàn)寬帶阻抗匹配,有效拓展吸收帶寬。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)幾何尺寸參數(shù)為:p=15 mm,d1=13.5 mm,d2=4.5 mm,g=0.4 mm,t=0.1 mm,h=6.5 mm。

根據(jù)定義,吸波體結(jié)構(gòu)的吸收系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:A為吸收系數(shù);S11為反射系數(shù);S21為透射系數(shù),由于吸波體結(jié)構(gòu)采用金屬背板,透射系數(shù)S21為0。因此,式(1)可以改寫為:

式中:Zin為吸波體的輸入阻抗;Z0為空氣波阻抗,空氣波阻抗為377 Ω。當(dāng)輸入阻抗和空氣波的特征阻抗相同時(shí),反射率為0,吸波體達(dá)到完美吸波,因此吸波體要想達(dá)到良好的吸波率,需要Zin的實(shí)部接近于377 Ω,虛部接近于0。

在CST Microwave Studio 中通過(guò)頻域求解器對(duì)一個(gè)吸波體單元進(jìn)行了全波仿真,在電磁波垂直于吸波體入射的情況下得到反射率曲線,結(jié)果如圖2 所示,吸波體在3.95～17.1 GHz 頻段內(nèi)反射率小于-10 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到124.9%;在4.6,11 和16.45 GHz 處有3 個(gè)吸收峰,反射率分別為-11.8,-45.5 和-20.9 dB,對(duì)應(yīng)吸收率分別達(dá)到93.4%,99.9%和99.2%。

圖2 吸波體的仿真反射率Fig.2 Simulated reflectivity of the absorber

通過(guò)吸波結(jié)構(gòu)表面電流分布圖和史密斯圓圖(如圖3 所示)的分析,探究了三個(gè)吸收峰產(chǎn)生的原因。

在電磁波垂直入射時(shí),三個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的表面電流分布如圖3(a)～(f)所示,箭頭表示電流方向,顏色深淺表示電流強(qiáng)度(單位:A/m)。從圖中可以看出,在4.6 GHz 處,表面電流主要分布在平行于電磁波電場(chǎng)分量的金屬條帶上,頂層表面電流方向與底層表面電流方向相反,此時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁共振;在11 GHz處,表面電流主要分布在環(huán)結(jié)構(gòu)加載貼片電阻的四角,頂層表面電流方向與底層表面電流方向相同,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電共振;在16.45 GHz 處,分布在凹金屬條帶(平行于電場(chǎng)方向)上的表面電流方向與底層表面電流方向相同,四角上的表面電流方向與底層表面電流方向相反,此時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電磁共振。金屬條帶自身存在的電阻可忽略不計(jì),貼片電阻是結(jié)構(gòu)中歐姆損耗的主要來(lái)源,表面電流流經(jīng)貼片電阻將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。此外,通過(guò)史密斯圓圖圖3(g)可以看出11 GHz 處的阻抗匹配最好,16.45 GHz 處的阻抗匹配優(yōu)于4.6 GHz,和3 個(gè)吸收峰的吸收強(qiáng)度一一對(duì)應(yīng)。

圖3 在4.6,11,16.45 GHz 頻率處(a～c)頂層表面電流和(d～f)底層表面電流;(g)史密斯圓圖Fig.3 (a-c) Top layer surface current and (d-f) bottom layer surface current at 4.6,11,16.45 GHz;(g) The Smith chart

2 電阻參數(shù)影響

由于不同阻值的貼片電阻會(huì)改變吸波體吸收性能,本研究分析了電阻值大小對(duì)吸收率的影響,如圖4 所示。貼片電阻為50 Ω 時(shí),存在3 個(gè)吸收峰,但僅在低頻有良好的吸收率,有效吸收帶寬較窄,隨著電阻阻值升高到100 Ω,3.95～17.1 GHz 內(nèi)反射率在-10 dB以下,吸收率達(dá)到90%以上;電阻為150 Ω 時(shí),在寬頻帶內(nèi)形成一個(gè)反射率較為穩(wěn)定的吸收帶;當(dāng)阻值達(dá)到200 Ω 時(shí),吸收峰從最初的3 個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)榱? 個(gè),此時(shí)吸收帶寬及吸收率綜合性能有所下降。電阻阻值的改變主要影響了結(jié)構(gòu)的阻抗匹配,從50 Ω 增加到100 Ω 的過(guò)程中,寬頻帶內(nèi)阻抗匹配性能逐漸提升,吸收強(qiáng)度不斷提高,由圖3(g)可知當(dāng)電阻為100 Ω時(shí),在11 GHz 處達(dá)到接近于完美的阻抗匹配,隨著電阻繼續(xù)增大,完美阻抗匹配被打破,反射率的升高導(dǎo)致該頻點(diǎn)處的吸收峰逐漸消失。寬頻帶內(nèi)穩(wěn)定且更強(qiáng)的吸收率一直是吸波體設(shè)計(jì)的目的之一,本結(jié)構(gòu)最終選用150 Ω 的貼片電阻,此時(shí)吸波體在5.8～15.95 GHz 范圍內(nèi)反射率小于-15 dB,吸波率達(dá)到96.8%以上。

圖4 反射率隨電阻阻值大小的變化Fig.4 Variation of reflectivity with resistance

3 極化穩(wěn)定性與角度穩(wěn)定性

工程應(yīng)用對(duì)吸波體的入射極化穩(wěn)定性和入射角穩(wěn)定性提出了要求,為了檢驗(yàn)吸波體的極化穩(wěn)定性,圖5 分析了0°～90°時(shí)的反射率穩(wěn)定性,不同極化角度下反射率基本保持一致,結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波極化不敏感。

圖5 反射率隨極化角度的變化Fig.5 Variation of reflectivity with polarization angle

然后模擬了吸波體電磁波斜入射情況下的穩(wěn)定性,如圖6 所示。斜入射下自由空間阻抗與電磁波的極化相關(guān),TE 極化模式下,ZTE=Z0/cosθ;斜入射角θ范圍為0°～30°時(shí),吸收率在5.2～14.3 GHz 頻帶內(nèi)保持90%以上,在40°斜入射時(shí),高頻吸收率出現(xiàn)衰減,但低頻的吸收率保持良好。TM 極化模式下,ZTM=Z0cosθ,斜入射角θ范圍為0°～30°時(shí),吸收率較為穩(wěn)定,與垂直入射時(shí)幾乎相同。在40°斜入射時(shí),吸收頻帶向中間收縮,兩端吸收率下降。不同極化下的自由空間阻抗隨入射角的變化趨勢(shì)相反,當(dāng)入射角較小時(shí),ZTM與ZTE差距小,接近垂直入射時(shí)的阻抗,故兩種極化下的反射率相似,隨著入射角度的升高,阻抗變化較大,良好的阻抗匹配性被打破,不同角度與極化下的反射率會(huì)出現(xiàn)明顯的差異?？偟膩?lái)說(shuō),對(duì)于TE 和TM模式,吸波體都能在30°斜入射范圍內(nèi)保持反射率的穩(wěn)定。

圖6 (a)TE 和(b)TM 偏振斜入射時(shí)的仿真吸收率Fig.6 Simulated absorptivity of (a) TE and (b) TM polarization oblique incidence

4 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出的基于單層FSS 吸波體設(shè)計(jì)的有效性,制作了相應(yīng)的試驗(yàn)原型,如圖7 所示,結(jié)構(gòu)整體尺寸為300 mm×300 mm (19×19 單元),通過(guò)柔性印刷電路板的制備方式將金屬周期結(jié)構(gòu)刻蝕在厚度為0.1 mm 的柔性PI 膜上,采用表面貼裝技術(shù)(SMT)將封裝為0402、阻值大小為150 Ω 的貼片電阻焊接在周期結(jié)構(gòu)上,按照吸波體的立體結(jié)構(gòu)示意圖,使用熱熔膠膜將制備好的FSS 結(jié)構(gòu)、PMI 泡沫支撐層和金屬底板粘接在一起,后通過(guò)高溫真空袋壓的方式將膠膜固化完成吸波體結(jié)構(gòu)制備。

圖7 原型照片F(xiàn)ig.7 Photographs of the prototype

采用弓形法在微波暗室中對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接到兩個(gè)寬帶雙棱喇叭天線測(cè)出反射率。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8(a)所示,實(shí)測(cè)結(jié)果表明吸波體在5.3～17.5 GHz 頻帶內(nèi)反射率小于-10 dB,吸波體在6.3～15.7 GHz 頻帶內(nèi)反射率小于-15 dB,圖8(b)、(c)分別為斜入射下TE 和TM 偏振的測(cè)試吸收率,測(cè)試結(jié)果表明吸波體有較好的入射角穩(wěn)定性,與仿真結(jié)果基本吻合,微小的差異是由于板材在加工復(fù)合過(guò)程中的誤差造成。

圖8 (a)正入射下仿真和測(cè)試反射率;(b)TE 和(c)TM 偏振斜入射時(shí)的測(cè)試吸收率Fig.8 (a) Simulation and measured reflectivity under normal incidence;Measured absorptivity of(b) TE and (c) TM polarization oblique incidence

以往文獻(xiàn)報(bào)道的吸波體設(shè)計(jì)中,往往忽略了面密度這一重要指標(biāo),表1 列出了本文所設(shè)計(jì)的吸波體與先前報(bào)道文獻(xiàn)的性能比較。

表1 性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison

對(duì)比可以看出本文設(shè)計(jì)的吸波體的面密度僅為0.678 kg/m2,且在吸波頻帶內(nèi)吸波率大于96.8%,在密度低、厚度薄、吸波強(qiáng)的要求下,保持了較好的綜合性能。

5 結(jié)論

提出了一種基于單層頻率選擇表面(FSS)的超寬頻吸波體。通過(guò)分析表面電流分布圖以及史密斯圓圖,解釋了多諧振點(diǎn)產(chǎn)生的原因,通過(guò)修改參數(shù),吸波體單元結(jié)構(gòu)對(duì)稱,極化不敏感;有較好的入射角穩(wěn)定性。仿真數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)厚度為6.6 mm 時(shí),在4.7～16.75 GHz 頻帶內(nèi)反射率小于-10 dB,強(qiáng)吸收頻帶為5.8～15.95 GHz,頻帶內(nèi)反射率小于-15 dB;測(cè)試結(jié)果顯示,樣品在5.3～17.5 GHz 頻帶內(nèi)反射率小于-10 dB,6.3～15.7 GHz 頻帶內(nèi)反射率小于-15 dB。整體仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。本文設(shè)計(jì)的吸波體兼具輕質(zhì)、寬帶和高吸收率的性能,有較好的綜合表現(xiàn)。