一种π型结构雷达吸波体的设计及仿真

熊 杰， 陈 娇， 杨宝平， 兰智高

（黄冈师范学院物理与电信学院，湖北黄冈 438000）

0 引 言

隐身雷达系统在军工竞争中起着至关重要的作用。频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）突出的频率选择性和空间滤波特性引起研究人员的广泛兴趣，并将它用于减小敌对雷达的潜在威胁［1］。传统的雷达罩是将入射电磁波反射到其他方向，这样虽然能够减少单基地雷达截面（Radar Cross Section，RCS），但对于多基地雷达系统而言，其RCS仍然不会减少［2-3］。具有吸收／传输特性的频率选择雷达吸波体（Frequency selective Radome，FSR）由于其在雷达散射截面减少方面的巨大潜力而引起了越来越多的研究者们去深入研究。FSR通常是由电阻层和带通频率选择性表面组成的多层二维周期性结构。

一个设计良好的FSR不仅应该吸收带外入射电磁波，而且在其通带内具有较低的插入损耗。根据通带和吸收带的相对位置，可以将FSR分为3类：①通带在吸收带之下［3-4］；②通带在吸收带之上［5-8］；③通在吸收带之间［9-10］。

现在有大量的研究文献对①③两种类型的FSR进行了研究，但对第②种类型研究不多。文献［5］中设计了低频吸收带FSR，其吸收带从3～9 GHz，其相对带宽为100%。文献［8］中设计了一种基于中心对称弯曲带谐振器的吸收频率选择体，其10 dB吸波段的带宽为6.1～10.98 GHz，相对带宽为57%。

本文提出了一种超薄且吸波相对带宽较宽的FSR结构，该结构具有吸收波段低于通带频段。实现了具有超宽吸收带，其吸收频率为2.6～8.74 GHz，相对带宽达到108%。同时在11.7 GHz产生通带，其插入损耗为0.78 dB，单元尺寸为0.21λ×0.21λ（λ为吸收带的起始频率对应的波长），厚度仅为0.08λ。实现了超薄、超宽带FSR的设计。

1 FSR的设计与分析

1.1 FSR模型设计

通常，具有吸收／传输特性的FSR结构由两部分组成：位于顶部的电阻层和位于底部的带通FSS，中间由空气隔开，其三维结构视图如图1（a）所示。这两层结构均印制在型号为ROGERS4350B的介质板上，其厚度为0.5 mm，相对介电常数ε＝3.66，电阻层中所选的电阻型号R1＝R2＝250Ω，表1列出了FSR的其他相关参数。带通FSS在传输带工作，以便入射电磁波可以低插入损耗通过。在吸波带工作频率时，电阻片在带通FSS的抑制带内能够实现吸收功能。

FSR由方形环和一个π型结构组成，电阻分别焊接在π型结构的两条腿边中间。通过设计π型结构两条腿边的不同宽度，产生两个谐振频点来实现更宽的吸波频带。其中，f1处的第1个吸收带归因于方形环和π型结构左边腿的谐振。f2处的谐振频率主要由方形环与π型结构右边腿及电R2的共同作用。在每个单元结构中，底部的带通FSS由十字缝隙结构组成，在高频处实现无损传输。在电阻层中，π型结构和方形结构可等效为两组电感电容（LC）并联结构，用于实现在通带频率达到并联谐振，达到切断电阻层损耗电阻元件，实现通带处较小的插入损耗。

图1 吸波体结构图

1.2 FSR模型等效电路分析

为更好地理解所设计的FSR，其等效电路模型如图2所示。等效电路图中Z1、Z2分别为电阻层和FSS层的阻抗。对于损耗层分支Z1、L1、L2分别等效为上下π型结构左右腿铜片的电感，C1等效为上下π型结构与方形环之间的电容；L3、C3分别为方形环等效电感和等效电容，L4、C4为左右π形结构形成的电感与电容。用电容C6等效为相邻单元在电场方向上的分布电容。在带通FSS层中，L5表示贴片的电感，C5表示缝隙间的电容。

图2 FSR等效电路

根据传输线理论，等效电路可通过ABCD矩阵来表示［5］：

由式4可知，由于Z0为自由空气特征阻抗，阻值为377Ω，的值主要由Z1决定。当Z1趋近于无穷大时可以得到插入损耗最小的完美传输带（＝1）。由于入射电磁波是自向而下入射进入FSR，电磁波会穿过电阻层和FSS层。而电阻层中有电阻，因此，电阻片层的设计对低插入损耗非常重要。为了降低插入损耗，则要求电阻层和频率选择表面层都需要在通带频率处产生并联谐振来切断能耗路径，以实现在通带处的插入损耗最低。设计的FSR的上层通过巧妙的设计π形结构与方形结构组成，构造出在通带频率时的并联谐振结构。

2 FSR的设计过程与仿真结果

2.1 FSR结构的设计过程

FSR的设计步骤如图3所示。首先设计出基本的吸波体FSR＃1，通过设计型的结构，实现较宽吸波带宽的FSR＃2，在FSR＃2基础上，加入通带FSS，通带FSS采用十字缝隙结构，在一个单元中设计4个“十”字缝隙结构，实现在高频处通带效果。

图3 FSR设计步骤

图4 FSR设计过程的散射曲线

由图4可见，在FSR＃1-1中，在4.8 GHz时有一个谐振点，而FSR＃1-2中在7 GHz有一个谐振点。FSR＃2为结构FSR＃1-1与FSR＃1-2的组合，出现了3.2 GHz和8.4 GHz两个谐振点，可见，FSR＃2结构的具有更宽的吸波带宽。其主要原因是两个谐振点叠加，形成更宽的吸收带。其中FSR＃1-1，FSR＃1-2为FSR＃1结构中π型结构分别只有一只腿工作。

为设计最优的低吸高透FSR，通过仿真软件优化了π型腿长l1和方形边长l3。散射曲线分别如图5、6所示。

由图5优化FSR结构中系数l1可见，改变l1长度相当于改变等效电路中电感L1的值，从而影响吸波谐振频率，随着l1增加，等效电感值增加，由

可知，其谐振频率往低频处移动。

图6中通过优化方形边长l3的散射曲线可见，随着l3的增加，吸波效果越好，但通带内的插入损耗在l3＝4 mm时达到最佳。其主要原因在于在l3＝4 mm时，方形结构与FSR结构左右两边π型结构在通带频率形成并联谐振，此时结构中阻抗较大，对有耗元件实现断路，因此在通带处实现较小的插入损耗。

图5 不同l1值对散射曲线的影响

图6 不同l3值对散射曲线的影响

通过仿真软件优化设计，实现了具有超宽吸收带，如图7所示。其－10 dB吸收带宽为2.6～8.74 GHz，相对带宽达到108%，吸波率在90%以上。同时，传输带的－3 dB带宽为10.7～12.2 GHz，在通带中心频率11.7 GHz处其插入损耗为0.68 dB。

图7 优化后FSR散射曲线及吸波率

2.2 FSR结构的稳定性分析

在实际应用中，通常需要保证入射电磁波在不同入射角度下能够正常工作。图8、9分别在TE极化波和TM极化波入射条件下，依次考虑入射角为0°、15°、30°时FSR结构的角度敏感性。由仿真曲线中可见，设计的FSR对在TE、TM极化波入射时角度不敏感，在30°仍能保持良好的带通和吸波效果。

图8 TE极化下FSR的斜入射性能曲线

图9 TM极化下FSR的斜入射性能曲线

2.3 FSR仿真结果对比

表2中列举了参考文献中设计的FSR，对通带中心频率、插入损耗（Inert Loss，IL）、－10 dB吸波带宽及其相对带宽、单元尺寸及单元结构厚度进行了对比。

表2 FSR的仿真结果对比

通过对比表2中Ref.数据可知，本次设计的FSR虽然插入损耗不是最低，但具有最大的相对带宽、最薄的厚度。

3 结 语

本文提出了一种π型结构频率选择雷达吸波体的设计方法。设计了π型结构与方形环结合的损耗层，既能满足传输带低插损的要求，又能满足超宽吸波的要求。每个单元结构中设计4个“十”字缝隙结构实现在高频处的通带。分析了影响吸波效果和插入损耗的参数，最终设计了单元尺寸为0.21λ×0.21λ（吸收带的起始频率对应的波长），两介质板的间距仅有0.08λ。吸收带的－10 dB吸波带宽为2.6～8.74 GHz，其相对带宽达到108%。FSR结构的通带中心频率为11.7 GHz，其插入损耗为0.8 dB。该FSR通过吸收带外的入射电磁波能够降低双基站雷达散射截面，具有较好的隐身功能。