熊 杰，陳 嬌，蘭智高

(1. 黃岡師范學(xué)院物理與電信學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2. 華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

1 引言

頻率選擇表面的研究有著悠久的歷史，可以追溯到20世紀(jì)70年代[1]。由于其強(qiáng)大的控制電磁波傳輸和反射的能力，它被廣泛應(yīng)用于空間濾波器、微波偏振器，特別是隱身雷達(dá)罩[2]。用作雷達(dá)罩時(shí)，傳統(tǒng)的FSS通過反射帶外入射電磁波，以減小單站雷達(dá)散射截面(RCS)，但對(duì)于雙站雷達(dá)的散射截面仍然不會(huì)減小。

頻率選擇雷達(dá)吸波體(FSR)的概念首先在文獻(xiàn)[3]中被提到，它不僅具有一個(gè)用作通信的通帶，同時(shí)還具有一個(gè)通帶之外的吸收帶。為了實(shí)現(xiàn)這一特定功能，在以前的文獻(xiàn)中提出了二維和三維結(jié)構(gòu)[2-11]。FSR設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是同時(shí)滿足吸收帶寬和具有較低插入損耗的傳輸帶。在文獻(xiàn)[4]中，設(shè)計(jì)了一種小型化的吸收頻率選擇體. 其10dB吸波段的帶寬從3.93到8.07GHz，相對(duì)帶寬為69%。在文獻(xiàn)[5]中，設(shè)計(jì)了低頻吸收帶設(shè)計(jì)FSR，其吸收帶從4.8到6.81GHz，其相對(duì)帶寬為34.6%。在文獻(xiàn)[6]中，設(shè)計(jì)了一種三維FSR的設(shè)計(jì)，其10dB吸收帶為11.1-18GHz，帶寬為47%。

與以往的研究工作相比，本文提出了一種新的二維FSR結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)具有超寬吸收帶，吸收頻率從5.8GHz到14.7GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到86.8%。同時(shí)在2.17GHz產(chǎn)生通帶，其插入損耗為0.43dB，單元尺寸為0.19λ*0.19λ(λ：吸收帶的起始頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，兩片襯底基板之間的厚度僅為4 mm，實(shí)現(xiàn)了小型化、超薄、超寬帶FSR的設(shè)計(jì)。

2 FSR的設(shè)計(jì)與分析

2.1 FSR模型設(shè)計(jì)

所提出的FSR如圖所示1(a)。它由一個(gè)位于上層的有損電阻層和一個(gè)位于底層的無損頻率選擇表面(FSS)。這兩種結(jié)構(gòu)都印在Rogers4003c襯底上，其相對(duì)介電常數(shù)為3.55，厚度為0.8mm。該FSR的上層設(shè)計(jì)了一個(gè)工字形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)，其集總電阻串接在方形環(huán)邊上。其底層的無損FSS層是十字縫隙結(jié)構(gòu)，電容并聯(lián)在金屬貼片上，用作2.17 GHz的帶通濾波器。 表1列出了FSR的其它相關(guān)參數(shù)。

圖1 (a)FSR的三維視圖(b)損耗層(c)無耗層

表1 FSR的單元尺寸(以毫米為單位)

2.2 FSR模型等效電路分析

為了更好的理解所設(shè)計(jì)的FSR，其等效電路模型如圖2所示。等效電路圖中Z1和Z2分別圖為損耗層和無損層的阻抗分別用Z1和Z2表示。對(duì)于損耗層分支Z1， L1等效為工字形豎直邊電感，C1等效為工形結(jié)構(gòu)形成電容；L3等效為方形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊電感，C3為方形結(jié)構(gòu)細(xì)隔板與邊長(zhǎng)之間產(chǎn)生的電容；L2，C2分別為長(zhǎng)邊上不包含電阻的邊與隔板形成的電感和電容。用電容C5等效為相鄰單元在電場(chǎng)方向上的耦合電容。在無損層中，L4表示貼片的電感。電路參數(shù)為：L1=0.01nH； C1=0.5pF； L2=0.44nH； C2=0.23pF； L3=1.93nH； C3=0.06pF； L4=4.2nH； C4=1.2pF； C5=0.09pF； R1=100Ω。

圖2 FSR等效電路

根據(jù)傳輸線理論，等效電路可通過ABCD矩陣來表示[8]

(1)

(2)

其中θ=βh，h為上下兩層間距，β=2/λ，λ為自由空間波長(zhǎng)。根據(jù)ABCD矩陣，可知傳輸系數(shù)分別為：

(3)

(4)

當(dāng)FSR工作在傳輸帶時(shí)，要求其傳輸系數(shù)|S21|=1，反射系數(shù)|S11|=0。根據(jù)公式可知，當(dāng)Z2為無窮大時(shí)，即無耗層在通帶處產(chǎn)生并聯(lián)諧振時(shí)，其阻抗為無窮大，因此，在通帶處可對(duì)|S21|進(jìn)行簡(jiǎn)化，即

(5)

根據(jù)式(5)可知，當(dāng)Z1趨近于無窮大時(shí)可使|S21|=1滿足條件。由于入射電磁波射入FSR時(shí)，會(huì)經(jīng)過上層的損耗層，而損耗層中有耗能元件，因此，為了降低插入損耗，則要求有耗層和無耗層都需要在通帶頻率處產(chǎn)生并聯(lián)諧振，以達(dá)到通帶處全部透射。設(shè)計(jì)的FSR的上層通過巧妙的設(shè)計(jì)工字形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)造出在通帶頻率時(shí)的并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)。

當(dāng)FSR工作在吸波帶時(shí)，要求其傳輸系數(shù)|S21|=0，反射系數(shù)|S11|=0，即入射電磁波進(jìn)入FSR后，既不透射，也不反射，電磁波全部被FSR吸收。此時(shí)，由于吸收帶頻率遠(yuǎn)離通帶頻率，無耗層此時(shí)可等效為金屬平面，其主要功能是對(duì)電磁波進(jìn)行反射。根據(jù)傳輸線理論，若在吸波帶阻抗虛部為0，而僅有實(shí)部，且此時(shí)的實(shí)部為集總電阻的話，可實(shí)現(xiàn)最佳吸波效果。通過等效電路可知，要想使阻抗虛部為0，有兩種情況。第一種情況是Z1的虛部為0，第二種情況是Z1的虛部與兩層之間的等效阻抗Zr的虛部相加等于0。因此，正是因?yàn)檫@種情況，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)通過在吸波帶中設(shè)計(jì)兩個(gè)鄰近的吸波諧振頻率來達(dá)到寬帶吸波的效果。

通過HFSS2019仿真軟件和ADS2019軟件分別對(duì)所設(shè)計(jì)的FSR結(jié)構(gòu)和FSR的等效電路進(jìn)行仿真。其仿真結(jié)果如圖3所示，對(duì)比仿真結(jié)果與等效電路仿真結(jié)果，可以看到兩種曲線具有相同的趨勢(shì)。因此，前面通過等效電路的分析是可行的，并對(duì)實(shí)際調(diào)試FSR有指導(dǎo)作用。

圖3 FSR仿真結(jié)果與其等效電路的S參數(shù)

3 FSR的仿真結(jié)果與分析

3.1 FSR結(jié)構(gòu)的通帶頻率仿真

根據(jù)前面等效電路的分析可知，F(xiàn)SR結(jié)構(gòu)的通帶頻率主要是由底層的無耗層來實(shí)現(xiàn)。而并聯(lián)諧振頻率由式(6)可知，諧振頻率與電感和電容值有關(guān)。由于該設(shè)計(jì)尺寸較小，電感值已固定，主要通過調(diào)節(jié)電容值來進(jìn)行通帶頻率的調(diào)節(jié)。

(6)

圖4中顯示通過調(diào)節(jié)C1得到的不同的傳輸系數(shù)和透波系數(shù)。從圖中可知，調(diào)節(jié)C1，對(duì)透波頻率有較大影響，而對(duì)吸波沒有影響。改變C，其諧振頻率發(fā)生改變，且隨著電容C的增加，諧振頻率往低頻偏移。

圖4 同電容值的FSR的S參數(shù)仿真結(jié)果

3.2 FSR結(jié)構(gòu)的吸波效果仿真

有耗層中在吸波帶中起到重要作用，通過調(diào)節(jié)電阻R1的值從而可以調(diào)整吸波帶吸波效果。通過圖5中可以看出，電阻越大，吸波效果越好，但電阻越大，傳輸帶的插入損耗也偏大。結(jié)合傳輸帶與吸波帶綜合考慮，電阻值選100Ω。

圖5 正常入射條件下不同電阻值的FSR的S參數(shù)仿真結(jié)果

3.3 FSR結(jié)構(gòu)的角度穩(wěn)定性

圖6 TE極化波不同入射角度S曲線

在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要保證入射電磁波在不同入射角度下能夠正常工作。圖6、圖7分別在TE極化波和TM極化波入射條件下，依次考慮入射角為0°，15 °，30 °，45 °時(shí)FSR結(jié)構(gòu)的角度敏感性。從仿真曲線中可以看出，設(shè)計(jì)的FSR對(duì)在TE極化波入射時(shí)角度不敏感，在角度45°仍能保持較好的透波和吸波效果。

圖7為TM極化波入射時(shí)，不同入射角度下FSR吸波性能，從圖中可知，當(dāng)入射角度為45 °時(shí)吸波性能變差，吸波帶寬變窄。分析其原因，可能是由于在有耗層中電阻的不對(duì)稱造成的原因。

圖7 TM極化波不同入射角度S曲線

3.4 FSR結(jié)構(gòu)的吸波率

通過調(diào)節(jié)集總電容、電阻以及FSR單元各個(gè)尺寸參數(shù)，最終仿真結(jié)果在圖8中進(jìn)行顯示。從圖中可以看出，傳輸帶的-3dB帶寬從2.08GHz到2.25 GHz，其插入損耗僅為0.43dB。對(duì)于吸波帶而言，在|S11|≤-10dB的吸波段覆蓋范圍從5.8 GHz到14.7 GHz，其相對(duì)帶寬達(dá)到86.8%。

圖8 FSR的S參數(shù)及其吸波率

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的具有超寬吸收帶寬的FSR設(shè)計(jì)方法。通過在十字縫隙中加載集總電容，獲得在2.17GHz的通帶頻率，具有0.43dB的插入損耗。設(shè)計(jì)了工形結(jié)構(gòu)與方形結(jié)合的損耗層，即能滿足傳輸帶低插損的要求，又能滿足超寬吸波的要求。論文中采用等效電路的方法對(duì)比FSR結(jié)構(gòu)，并解釋其設(shè)計(jì)原理。設(shè)計(jì)的FSR裝置體積小，單元尺寸為0.19λ×0.19λ(吸收帶的起始頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng))，兩介質(zhì)板的間距僅有4mm。吸收帶的|S11|≤-10dB吸波帶寬從5.8GHz到14.7GH，其相對(duì)帶寬達(dá)到86.8%。該FSR通過吸收帶外的入射電磁波能夠降低雙基站雷達(dá)散射截面，具有較好的隱身功能。