孔径型FSS与贴片型FSS吸波特性的对比

袁旭冏, 刘文言, 王 艳, 陆泽涛, 张有为, 韩沐畴,李 晓, 刘 敏

（1.中国航发北京航空材料研究院 隐身材料重点实验室，北京 100095；2.中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083）

频率选择表面是由完全相同的单元沿一维或二维方向周期性排列而成的无线大阵列[1]。根据构成方式可将频率选择表面分为贴片型和孔径型两种类型[1-2]。FSS可以有效地控制电磁波反射和传输的特性，实现“带内透波带外反射”的性能。碳纤维不但拥有较好的介电性能，而且具有良好的导电导热及耐腐蚀性能，是一种良好的吸收剂[3-6]，因此受到了国内外学者的青睐。一些学者对碳纤维吸波复合材料的FSS结构尺寸[7-10]、排列方式[10]、介质层加载方式[6-7，10]、极化方向[11]、放置位置[9，12]等进行了大量研究，针对这些影响因素分别给出了反射率的相应变化规律，但是忽略了FSS形状对孔径型FSS与贴片型FSS吸波特性的影响规律。王艳红[13]针对中心频率相同的三种FSS单元形状，利用谱域法对其吸波特性进行了仿真研究，忽略了吸波材料基体面积占比率不同的情况，得出了在改善吸波材料带宽方面，Y孔单元的作用显著；在降低共振频率漂移及反射率方面，圆环形状作用较显著的结论。

本工作提出用碳纤维纸制备单位面积内碳纤维纸的基体面积占比率相同的FSS，芳纶纸蜂窝匹配厚度为4 mm时，对比孔径型FSS与贴片型FSS对反射率的影响规律，研究FSS的单元形状、碳纤维纸中碳纤维的含量、长度对吸波性能的影响规律。

1 实验

1.1 实验材料

NL-ES-075型碳纤维纸，碳纤维含量2%、3%、4%、6%，碳纤维长度2 mm、3 mm、4 mm，北京碧岩特种材料有限公司。AC-NH间位芳纶蜂窝，孔格边长2.75 mm，苏州芳磊蜂窝复合材料有限公司。

1.2 实验过程及测试

采用碳纤维纸制备孔径型FSS和贴片型FSS。使用圆形、正方形、正六边形3种中心对称的块状单元形状。其中孔径型FSS与贴片型FSS的单元形状尺寸参数如图1和表1所示。孔径型FSS中，圆形单元直径d1= 5.5 mm，正方形边长a1= 5 mm，正六边形边长c1= 3 mm，s1= 24 mm2，Dx=Dy= 10 mm；贴片型FSS中，圆形单元直径d2= 9.84 mm，正方形边长a2= 8.66 mm，正六边形边长c2= 5.4 mm，s2= 76 mm2，Dx=Dy= 10 mm；单元形状在A4纸上沿二维方向周期排列，X、Y方向上的周期大小为10 mm，重复参数为20个，样品大小为200 mm × 200 mm。保证碳纤维纸的基体面积占比率为0.76的情况下，在周期单元格中制作面积分别为24 mm2，76 mm2的圆形、正方形、正六边形3种单元形状，制备3种孔径型FSS和3种贴片型FSS。阵列照片如图2所示（单元形状为圆形）。根据GJB2038—1994标准，采用弓形法测试系统，利用AgientE-8363B矢量网络分析仪测试样品在2～18 GHz范围内电磁波垂直入射情况下的反射率。利用YKT-9400系列双目定倍体视显微镜对碳纤维纸中的碳纤维分布进行观察及分析。

图 1 FSS单元形状的尺寸参数（a）圆形；（b）正方形；（c）正六边形Fig. 1 Size parameters of FSS structures（a）circle；（b）square；（c）regular hexagon

表 1 FSS单元形状的尺寸参数Table 1 Size parameters of FSS structures

2 结果及分析

2.1 微观形貌的表征

为了证实碳纤维纸的可行性，对碳纤维纸的微观形貌采用体视显微镜进行分析，放大25倍后结果如图3所示。由图3可以看出，碳纤维纸中的碳纤维分布均匀，无明显的缠结与团聚现象。说明碳纤维纸在平面方向上是一种各向同性的材料。由于单元形状的尺寸大于碳纤维自身长度，所以单元形状对复合材料FSS的反射率影响具有一致性。赵宏杰等[14]对树脂基复合材料层板中不同分散状态的碳纤维进行了研究，证明了分散均匀性好的碳纤维可以有效提高吸波材料的吸波性能。

2.2 单元形状对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响

碳纤维含量2%、长度为2 mm，单元形状对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响及相关数据如图4和表2所示。可以看出，在2～18 GHz范围内，孔径型FSS与贴片型FSS结构的反射率曲线均呈二次曲线变化，即反射率随着电磁波频率的增加先减小后增大。对于孔径型FSS，圆形、正方形、正六边形的平均反射率在S-Ku波段内基本相同，谐振频率在9.68 GHz附近，最小反射率可达-31.24 dB，相对误差小于1%，此时吸波性能最好。而对于贴片型FSS，圆形、正方形、正六边形的平均反射率在S-Ku波段内基本相同，其对应的谐振频率几乎没有变化，均在10.24 GHz附近，最小反射率为-7.91 dB，相对误差在0.6%以内。由此表明，在碳纤维纸基体面积占比率相同的情况下，单元形状对孔径型FSS与贴片型FSS的吸波性能没有影响。周永江等[15]在周期大小、排列方式及极化方式一致的情况下，通过调整十字型电阻贴片的长度、宽度，研究了贴片型FSS对吸波性能的影响规律，结果表明，贴片型FSS的基体面积占比率相同时，形状不同的FSS对吸波性能没有影响，即当基体面积占比率一致时，十字型电阻贴片FSS的吸波性能与FSS的单元形状无关。

图 3 碳纤维纸的体视显微镜照片Fig. 3 Stereomicroscope image of carbon fiber paper

2.3 碳纤维含量对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响

碳纤维长度为2 mm，FSS的单元形状为圆形时，碳纤维含量对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响及相关数据如图5和表3所示。可以看出不论是孔径型FSS还是贴片型FSS，随着碳纤维含量的增加，复合材料FSS的谐振频率均向低频方向移动。这是由于碳纤维是一种吸收剂，可以使得电磁波在复合材料FSS内部形成多重反射促进电磁波的吸收，增加该材料的吸波性能。根据式（1）

式中：fm为匹配谐振频率；tm为匹配厚度；c为真空中光速；εr和μr分别代表材料的相对介电常数和相对磁导率。

图 4 碳纤维含量2%的FSS的反射率曲线 （a）孔径型FSS；（b）贴片型FSSFig. 4 Reflectivity diagrams of FSS with 2% carbon fiber （a）aperture-type FSS；（b）patch-type FSS

表 2 单元形状对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响Table 2 Effect of reflectivity of unit shape on FSS of aperture-type and patch-type

可以看出，材料的谐振频率主要受到该材料的电磁参数和介质厚度的影响。故在介质厚度一定的情况下，电磁性质为主要影响因素。碳纤维的含量越大，谐振频率越小。由于碳纤维是一种电介质材料，随着碳纤维含量的增加使得材料的εr增大，故复合材料FSS的谐振频率逐渐向低频方向移动，这与测试结果相符。

图 5 不同碳纤维含量FSS的反射率 （a）孔径型FSS；（b）贴片型FSSFig. 5 Reflectivity of FSS with different contents of carbon fiber （a）aperture-type FSS；（b）patch-type FSS

表 3 碳纤维含量对孔径FSS与贴片型FSS反射率的影响Table 3 Effect of reflectivity of carbon fiber contents on FSS of aperture-type and patch-type

图 6 不同长度碳纤维FSS的反射率 （a）孔径型FSS；（b）贴片型FSSFig. 6 Reflectivity of carbon fiber FSS of different lengths （a）aperture-type FSS；（b）patch-type FSS

2.4 碳纤维长度对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响

碳纤维含量为4%，FSS的单元形状为圆形时，碳纤维长度对孔径型FSS与贴片型FSS反射率的影响及相关数据如图6和表4所示。可以看出，不论是孔径型FSS还是贴片型FSS，随着碳纤维长度的增加，复合材料FSS的最小反射率逐渐增大，吸波性能逐渐减弱。碳纤维长度为2 mm时，复合材料FSS的反射率相对最小，吸波性能相对最强。由文献[16]可知，碳纤维长度小于2 mm时，由于碳纤维长度较短，偶极子之间的导电距离较短，难以形成感应电流。故适宜的碳纤维长度对电磁波的损耗能力越强，吸波性能越好。这是由于碳纤维分布在基体中时，容易相互搭接形成导电网路，能够为自由电子提供转移通道，可以激励产生极化，对电磁波形成较强的损耗。根据电磁波传输理论，电磁波照射下碳纤维相当于电偶极子。当碳纤维纸中碳纤维含量相同时，碳纤维长度越长则说明含有的电偶极子数量越少，产生的极化相对较少进而对电磁波的损耗越小。

表 4 碳纤维长度对孔径与贴片型FSS反射率的影响Table 4 Effect of carbon fiber length on reflectivity of FSS of aperture-type and patch-type

2.5 孔径型FSS与贴片型FSS反射率的对比研究

通过图4（a）、（b）和表2对比可以看出：孔径型FSS在6～18 GHz有效吸收频带内反射率均小于-8 dB；而贴片型FSS在6～18 GHz内，其反射率均大于-8 dB。由图5（a）、（b）和表3对比看出：在碳纤维含量分别为2%、3%、4%、6%时，孔径型FSS在S-Ku波段内的平均反射率均小于贴片型FSS，且在谐振频率处对电磁波的损耗能力最强，孔径型FSS对应最小反射率分别为-32.78 dB、-14. 95 dB、-10.24 dB、-10.01 dB，而贴片型FSS对应最小反射率分别为-6.22 dB、-7.55 dB、-9.19 dB、-6.68 dB。在6～18 GHz内，孔径型FSS的有效吸收频带内反射率均小于－10 dB；贴片型FSS的反射率均大于-10 dB。且由图6（a）、（b）和表4对比可以看出：在碳纤维长度分别为2 mm、3 mm、4 mm时，孔径型FSS在S-Ku波段内的平均反射率均小于贴片型FSS。可以看出孔径型FSS的吸波性能明显优于贴片型FSS。这是由于孔径型FSS中，碳纤维的长度保留了碳纤维纸中碳纤维的原始长度，使其处于连续的状态，这可以提高碳纤维纸中形成导电网络的能力，增强碳纤维纸内部的电导损耗。而贴片型FSS碳纤维的最大长度受限于贴片尺寸。当长度较短时碳纤维在电磁波作用下产生的感应电流沿纤维轴向流动距离太短，无法对电磁波能量起到有效耗散作用[16-17]。同时，根据电磁场理论，孔径型FSS在介质表面上周期性排布着面积相等的孔径，当发生谐振时，孔径周围会形成较强的感应电流，此时感应电流会形成一个和入射方向相同的辐射场[18-21]，表现为全透射进入复合材料FSS内部进行损耗，后遇到金属板时反射，此时反射电磁波与未进入材料内部在表面已反射的电磁波形成干涉作用，使得吸波性能提高[10，22-23]。而贴片型FSS，在入射波的照射下，产生电荷振荡形成感应电流，使得入射的电磁波全部转化成电流能，此时表面电流形成一个和入射方向相反的辐射，同时透射能量为零，进而损耗较小。

3 结论

（1）6～18 GHz范围内，碳纤维纸的基体面积占比率相同的情况下，单元形状对孔径型FSS与贴片型FSS的吸波性能没有影响。孔径型FSS的吸波性能优于贴片型FSS。

（2）随着碳纤维含量的增加，复合材料FSS的谐振频率向低频方向移动。孔径型FSS的吸波性能优于贴片型FSS。

（3）随着碳纤维长度的增加，复合材料FSS的最小反射率逐渐增大，吸波性能逐渐减弱。孔径型FSS的吸波性能优于贴片型FSS，当碳纤维纸中碳纤维含量为4%、长度为2 mm时，复合材料FSS的吸波性能最好。