电路模拟技术在吸波结构中的应用

张清+田俊霞+李天宇

摘要

本文研究了电路模拟技术在吸波材料结构中的应用，对电路模拟吸波材料进行了理论分析及，探讨了电路模拟技术在吸波结构设计中的应用，结果表明电路屏的加入可增大吸波复合材料的表面输入阻抗，从而提高吸波复合材料的吸波性能，验证了电路模拟技术在吸波结构中的应用可提高吸波复合材料的吸波性能。

【关键词】电路模拟技术 电路屏 吸波结构 吸波复合材料

吸波材料主要用于降低飞机雷达散射截面，电路模拟技术是指通过在吸波结构中加入周期性薄金属栅或金属片用以改变结构反射特性，电路模拟吸波结构由栅格单元与间隔层构成，可反射一个或多个频率，而对其他频率透明。目前国内对于电路模拟吸波材料的理论及实验研究仍处于初步阶段，研究方向涉及电路屏制备参数对电路模拟吸波材料吸波性能的影响、电路模拟吸波结构的优化设计等方面，对于电路模拟技术在吸波结构中应用的研究仍需进一步的深入。

1电路模拟吸波材料的理论分析

吸波材料要求有较低的反射率，这就要求材料对电磁波有较大的吸收和透过，实现这一点可通过使材料输入阻抗等于或接近于自由空间的波阻抗实现，电磁波的传输线理论指出吸波材料表面的输入阻抗Zind除了与本征阻抗Zc有关外，还与电路屏放置位置d有关，公式如下：

Zind=Zcth（α+jβ）d，式中α为衰减常数，β为相位常数。

材料表面的发射系数R=（Zind-Z0）/（Zind+Z0），Z0）为自由空间阻抗。为减小反射系数，应使吸波材料表面的输入阻抗模|Zind|尽可能接近Z0，一方面可通过选择材料的厚度来使|Zind|接近Z0，另一方面可通过增大|Zind|的极大值使其接近Z0，电路屏的加入即可增大|Zind|的极大值，而这其中感性电路屏使|Zind|增大接近Z0的可能性最大，感性电路屏的感纳

在特定的频率下即可计算得出感纳值。不同尺寸的电路屏同一吸波复合材料中的发射率曲线，吸波复合材料的最大吸收峰随着电路屏尺寸a和c的增大向低频方向偏移。在电磁波工作频率8?18GHz范围内，AA、BB曲线代表的吸波复合材料吸波性能较好，因此，在其他制备参数一致的情况下，可选择a×c=llmm×7.5mm尺寸和a×c=16mm×llmm尺寸的电路屏。

不同吸收剂含量的介质层体系对吸波复合材料吸波性能的影响，体系中各介质层由于吸收剂含量的不同而引起电磁参数的变化，进而影响吸波复合材料的吸波性能，对比可发现在其他制备条件相同的情况下，吸波复合材料中任何一介质层吸收剂含量的增加即任一介质层材料电磁参数的增大，都会使吸波复合材料的最大吸收峰向低频方向偏移。

2电路模拟技术在吸波结构设计中的应用

电路模拟吸波结构设计的关键在于使材料表面的波阻抗在较宽的频率范围内尽量接近自由空间阻抗，以达到在减少复合材料厚度的前提下，不降低吸波材料吸波性能的目的。

首先确定吸波复合材料各介质层的电磁参数和吸波材料总厚度，并根据实现假定的电路屏放置位置明确工作频宽（8?18GHz）内的反射干涉波段及吸收波段，由反射干涉波段中最小波长X和电磁波绕射公式dsinθ=nλ；1计算出电路屏临界尺寸，再由c/a≥0.7确定电路屏周期单元中a的取值范围，由吸收波段中最大吸收点所对应的波长，根据传输线理论波阻抗公式

计算介质层波阻抗及电路屏的波阻抗，比较底层波阻抗和电路屏波阻抗，调整电路屏尺寸a、c，使两者波阻抗尽量接近，从而确定电路屏a、c值；根据传输线；理论计算工作频宽内各个典型频率点的吸收率，当各个典型频率点的吸收率都满足要求时，则电路屏尺寸a、c及电路屏放置位置d确定，若不满足，则重复步骤指导确定电路屏尺寸a、c及电路屏放置位置d。

吸波复合材料厚度的设计同样重要，相同波长、电磁参数一致的情况下，单层材料表面波阻抗膜|Zind|会随着材料厚度的增大而降低，在其他制备条件相同的情况下，吸波复合材料的最大吸收峰同样会随着材料厚度的增加而向低频方向偏移，有研究指出含电路模拟结构“陷阱”式吸波复合材料在厚度≤4mm的条件下，可实现吸波性能在8?18GHz频率范围内吸收率≥12dB[4]。某飞航导弹的吸波结构进气道壁采用了总厚度≥4mm的内外蒙皮间吸波材料，在工作频宽内TE极化，要求反射率<-3dB，吸波材料的电磁参数=10-j0.5，电路屏尺寸a×c=5.6mm×4.0mm，加入电路屏后计算TE极化时工作频宽内的发射率如表1，符合反射率<-3dB的要求。

3结论

在吸波结构中加入电路屏可有效提高吸波复合材料的吸波性能；在吸波复合材料总厚度、各介质层参数相同的情况下，在工作频宽（8?18GHz）内吸波复合材料的最大吸收峰会随着电路屏尺寸a和c的增大向低频方向偏移；在材料总厚度、电路屏尺寸等参数相同的情况下，吸波复合材料中任何一介质层吸收剂含量的增加即任一介质层材料电磁參数的增大，都会使吸波复合材料的最大吸收峰峰向低频方向偏移；在吸波复合材料各介质层参数、电路屏尺寸等参数相同的情况下，吸波复合材料的最大吸收峰会随着材料总厚度的增加而向低频方向偏移。电路模拟技术在吸波结构中应用可实现宽频带特性，在提高材料性能的同时，也兼具经济性。

参考文献

[1]王国成，徐乃昊，刘毅等.基于遗传退火算法的电路模拟吸波材料设计[J].宇航材料工艺，2012，42（03）：13-16.

[2]薛景，张金胜，张洋等.吸波材料的吸波机理以及在土木工程方面的应用[J].中国科技投资，2016（29）：23.

[3]张莹雪.基于电路模拟的单层吸波结构研究与设计[D].华价大学，2014.

[4]刘沙沙，高正平.多层方环形频率选择表面吸波材料的等效电路模型[J].材料导报，2015，29（22）：130-134，140.endprint