圆环单元FSS对改善吸波体雷达吸波特性的影响

汪剑波，肖洪亮，陈桂波，陈新邑，孙贯成，卢 俊

（长春理工大学理学院，吉林 长春 130022）

圆环单元FSS对改善吸波体雷达吸波特性的影响

汪剑波，肖洪亮，陈桂波，陈新邑，孙贯成，卢 俊

（长春理工大学理学院，吉林 长春 130022）

设计了圆环单元的频率选择表面（FSS）结构，并将该结构置于吸波材料中构成了复合吸波结构。利用谱域法对该结构进行数值模拟，计算出频率为2～16GHz微波波段的反射系数，并研究了圆环单元尺寸和排布周期对其吸波特性的影响。结果表明：当圆环单元FSS的单元间距为10mm，单元尺寸为3.3mm时，其共振频率的反射率由-8.15dB降低为-14.54dB，-5dB吸波带宽由1.2GHz拓展为3.05GHz；且随圆环单元尺寸增大，共振反射率增加；随单元排列周期增加，吸波材料带宽增大。结果表明，利用FSS可以明显改善吸波材料涂层的吸波性能，通过调整相关参数可以获得所需的复合吸波结构，拓展FSS在吸波材料中的应用范围。

频率选择表面；吸波材料；谱域法；吸波带宽

1 引言

隐身技术是实现兵器突防、提高作战效能的有效手段，其中实现飞行器对探测雷达波隐身仍是需要首先解决的问题。在飞机、巡航导弹等飞行器非透明件上使用雷达吸波材料是实现隐身的一种有效方法。

吸波材料是指能吸收和衰减入射的电磁波，并将电磁能转化为热能后耗散的材料。采用吸波材料来降低目标的雷达散射截面积（RCS）是对现代军事目标进行雷达隐身的重要技术之一。在雷达吸波材料的研究中，厚度薄、质量轻、吸收频带宽、吸波能力强的材料是发展的趋势［1］。目前，研究人员已提出了多种方法来实现此目的，在吸波材料中使用频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）就是方法之一［2～4］。

FSS是一种二维周期性结构，由大量的金属贴片或孔径单元组成，与电磁波相互作用可表现出空间滤波器的功能［5，6］。当将FSS与隐身吸波材料结合时，可以提高吸波材料的吸波性能［7］。由于FSS的特性与单元形式、排布周期及电磁波的极化等因素有关，因此，这些因素也将决定FSS对复合吸波材料性能的影响。本文从构成FSS的结构周期出发，设计了环形单元FSS，利用谱域法对含有这种FSS的吸波材料性能进行仿真，研究了FSS单元周期对吸波材料的吸波性能的影响规律，为FSS在吸波材料中的应用提供了设计依据。

2 谱域法

FSS分析方法有多种，本文采用谱域法对含有FSS的吸波结构进行分析。

设M是入射电磁场在单元中引起的等效磁流密度，则场点r处的散射磁场可表示为：

其中：

G（r，r′）为自由空间格林函数，且：

r′为源点，星号表示卷积运算，k0为自由空间波数。

根据电磁场边界条件，在单元中的切向磁场连续，并应用傅里叶变换可获得单个单元中的磁场谱域积分方程。由于FSS是二维周期无限大阵列结构，满足Floquet定理，因此，可求得FSS无限大周期阵列结构的入射切向磁场：

3 仿真结果

3.1 吸波材料及特性

吸波材料的性能主要通过涂敷吸波材料的金属平板对电磁波的反射来表征。本文采用三层雷达吸波材料［8］，其具体参数如表1所示。

表1 双层雷达吸波材料参数Tab.1 Parameters of bi-layer radar absorbingmaterials

利用谱域法对吸波体进行仿真，结果（TE极化波0°入射）如图1所示。可见，双层雷达吸波材料的共振频率为4.2GHz，反射率为-8.15dB，-5dB带宽为1.2GHz。

图1 吸波材料吸波特性Fig.1 Absorbing characteristics of absorbingmaterials

图2 环孔单元FSS结构Fig.2 Ring-unit FSS structure

本文设计了一种环孔单元的金属周期性FSS结构，其单元内半径r＝3.3mm，缝宽w＝0.6mm，单元按正方形排列，周期为10mm，中心频率为13.5GHz，如图2所示。将所设计的FSS与吸波材料组合成复合结构，如图3所示。

图3 FSS复合吸波结构Fig.3 Composite FSS absorbing structure

利用谱域法对FSS复合方式分别进行了吸波特性仿真，FSS复合吸波结构与吸波材料的反射特性对比曲线如图4所示；它们的共振频率、共振频率反射率和-5dB带宽的对比见表2。

图4 FSS复合吸波结构特性与吸波材料特性对比Fig.4 Correlation curve of composite FSS absorbing structure with characteristics of absorbingmaterials

从图4可以看出，与单纯吸波材料相比，加载FSS共振频率向高频方向漂移，5.2GHz位置处出现最强吸收，但共振反射率和吸收带宽都有显著提高，-5dB处吸收带宽由1.2GHz增加到3.05GHz。

表2 FSS复合吸波结构与吸波材料特性的对比Tab.2 Correlation of composite FSS absorbing structure w ith characteristics of absorbing materials

3.2 FSS单元尺寸对吸波材料吸波特性的影响

通过改变环孔尺寸进行共振频率调节，其复合吸波材料的反射特性对比曲线如图5所示，其共振频率、共振频率反射率及-5dB带宽对比结果如表3所示。

表3 FSS复合吸波结构的反射特性随单元尺寸的变化Tab.3 Changes of reflectivities of composite FSS absorbing structure w ith unit sizes

图5 FSS复合吸波结构的反射特性随单元尺寸变化对比Fig.5 Reflectivities of composite FSS absorbing structure with different unit sizes

由此可见，随环孔半径的增加，吸波结构的共振频率向低频漂移，共振频率反射率增加，相应地-5dB带宽减小，但仍明显优于单纯吸波材料。

3.3 FSS排布周期对吸波材料吸波特性的影响

通过改变单元周期进行共振频率调节，其复合吸波材料的反射特性对比曲线如图6所示，其共振频率、共振频率反射率及-7 dB带宽对比结果如表4所示。

图6 FSS复合吸波结构的反射特性随单元周期变化对比Fig.6 Reflectivities of composite FSS absorbing structure with different unit cycles

可见，随单元周期的增加，吸波结构的共振频率向高频漂移，共振频率反射率降低，相应地-7dB带宽略有增加。

表4 FSS复合吸波结构的反射特性随单元周期的变化Tab.4 Changes of reflectivities of composite FSS absorbing structure w ith unit cyles

4 结论

本文研究了FSS结构对吸波材料吸波特性的影响，并设计了环孔单元FSS。利用谱域法对FSS复合吸波结构的特性进行了仿真研究，并与雷达吸波材料的特性进行了对比，给出了单元尺寸和单元周期对同一材料吸波特性的影响规律。结果表明，利用FSS可以明显改善吸波材料涂层的吸波性能，拓展涂层的吸波带宽；增加圆环单元尺寸有利于提高共振反射率，但吸收带宽相应缩小；增加单元排布周期有利于增加吸收带宽，但吸收强度降低。总之，利用FSS可以明显改善吸波材料涂层的吸波性能，为进一步提高吸波材料的低频吸波性能提供了一种切实可行的途径。

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Influence of ring FSS on im proving characteristics of radar absorbing materials

WANG Jian-bo，XIAO Hong-liang，CHEN Gui-bo，CHEN Xin-yi，SUN Guan-cheng，LU Jun
（School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

A ring-unit FSS is designed and put into absorbing materials to form the composite FSS absorbing structure，then the structure is numerically simulated through the spectral domain approach.The reflection coefficient of the structure at amicrowave band in 2-16 GHz is calculated and the influence of ring-unit′s sizes and aligning cycles on absorbing characteristics is studied.The results show thatwhen the ring-unit FSS′s unit spacing is 10mm and unit size is 3.3mm，the resonance frequency reflectivity decreases from-8.15 dB to -14.5 dB，and the absorbing band with whose reflectivity is larger than-5 dB broadens from 1.2 GHz to 3.05 GHz.Meanwhile，the resonance frequency reflectivity increaseswith the increasing of ring-unit size，and the absorbingmaterial′s bandwidth expandswith the expansion of unitaligning cycles.Experimental results indicate that the FSS can be used in absorbingmaterials to improve its absorbing properties.Moreover，the required composite FSS absorbing structure can be obtained by adjusting the corresponding parameters，which expands the application scope of FSS in absorbingmaterials.

Frequency Selective Surface（FSS）；obsorbing material；spectral domain approach；absorbing bandwidth

国家教育部博士点基金资助项目（No.20092216120005）

1674-2915（2010）03-0296-05

TB34；O451

A

2010-03-16；

2010-05-13

汪剑波（1978—），男，吉林长春人，讲师，主要从事薄膜物理与器件，频率选择表面的设计与研究。

E-mail：wangjianbo@126.com