基于单层频率选择表面的轻质宽频吸波体设计

曹文博,麻晢乂培,黄小忠,姜 超

(中南大学 粉末冶金研究院,湖南 长沙 410083)

通信技术的发展和智能家居的普及带来了复杂的电磁辐射问题,电磁防护材料和技术应运而生。电磁防护材料和技术在电磁兼容、抗电磁干扰、电磁环境保护以及减小雷达探测截面积等领域得到广泛的应用[1-6],吸波技术是目前最有效的方案。基于结构设计的吸波体最早可追溯到Salisbury 屏,通过在导电底板平面上方空间放置一层电阻板,可在特定频率下形成窄带的电磁波吸收[7]。Jaumann 吸波体是对Salisbury 屏的延伸,通过多层电阻板来增加共振,得到更宽的带宽,但会显著增加结构的整体厚度[8]。为了在较薄的厚度下得到宽频带吸波性能,Munk[9]提出了将频率选择表面(FSS)和Salisbury 屏结合,即将金属频率选择表面FSS 设计为电阻膜频率选择表面FSS的电路模拟(CA)吸波结构,CA 层包含FSS 二维周期阵列结构中的感抗和容抗以及Salisbury 屏的阻抗部分,可以使得单阻抗层[10-16]的吸波体在宽频带内具有良好的阻抗匹配特性,在较薄的厚度下拓宽吸波带宽,通过设计多阻抗层[17-22]引入多层损耗和多重共振,吸波体进一步拓宽吸波带宽。

Sharma 等[10]提出一种开口谐振圆环和十字相结合的电阻膜FSS 单元,结构的厚度仅2 mm,能在8.5～16 GHz 频带内实现宽带吸波。基于电阻膜的FSS 在厚度和角度稳定性上有独特的优势,但也存在方阻值难以准确控制等问题,影响了其在工程实际中的应用进程。为此,研究人员把印刷电路板技术应用到CA 吸波体制备中,将贴片电阻加载在金属FSS 阵列中,使CA 层的设计参数能被精确控制,提高了仿真和样品、样品和样品之间的一致性。Zhang 等[12]通过设计一种旋转弯曲的金属条FSS 单元,在宽频带范围内得到四个谐振峰,实现了2.68～12.19 GHz 频带内的吸波。Lin 等[14]设计了一款加载有贴片电阻的风扇状偶极子阵列,实现了3.78～11.78 GHz 频带内吸波在90%以上。Yao 等[17]提出了一种基于多层多共振FSS 阵列的宽带吸波体,每层结构都有一个特定的吸波带,通过多层结构间不同吸收带的耦合,该结构在垂直入射的条件下实现了1～12.9 GHz 的超宽带吸波。吕世奇等[18]通过纵向级联两种不同频段的吸波体来拓宽带宽,上层为加载贴片电阻的梯形金属贴片,下层为加载贴片电阻的方环,可在2.24～16.14 GHz 频带内-10 dB 吸波,实现相对带宽为151%的超宽带吸波。

以上结构拥有各自的优点,但在兼顾轻质、宽频、强吸波的性能特点上都还有继续优化的空间,如何在不大幅增加结构面密度和厚度的情况下尽可能地拓展吸收带宽仍是一项值得研究的课题。本文基于电阻加载型电路模拟吸波结构,选取聚酰亚胺(PI)膜作为FSS 的介质基底,聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫作为结构支撑层,降低结构重量的同时保证了结构的强度,得到了一种轻薄宽频吸波体。

1 结构设计与仿真

吸波体的几何结构如图1(a)所示。吸波体从上到下由加载有贴片电阻的FSS 层、泡沫支撑层和金属反射层组成。FSS 层由介质衬底和蚀刻在其表面的闵可夫斯基环组成,介质衬底选用相对介电常数(εr)为3.15,损耗角正切(tanδ)为0.003 的PI 膜。在闵可夫斯基环阵列的四角各嵌入两个阻值为100 Ω 的贴片电阻,以引入电阻损耗,从而吸收入射电磁波。采用PMI 泡沫作为支撑层将金属图案与地平面隔离,PMI由于具有较低的介电常数有利于实现宽带阻抗匹配,有效拓展吸收带宽。经过优化设计后的结构几何尺寸参数为:p=15 mm,d1=13.5 mm,d2=4.5 mm,g=0.4 mm,t=0.1 mm,h=6.5 mm。

根据定义,吸波体结构的吸收系数计算公式如下:

式中:A为吸收系数;S11为反射系数;S21为透射系数,由于吸波体结构采用金属背板,透射系数S21为0。因此,式(1)可以改写为:

式中:Zin为吸波体的输入阻抗;Z0为空气波阻抗,空气波阻抗为377 Ω。当输入阻抗和空气波的特征阻抗相同时,反射率为0,吸波体达到完美吸波,因此吸波体要想达到良好的吸波率,需要Zin的实部接近于377 Ω,虚部接近于0。

在CST Microwave Studio 中通过频域求解器对一个吸波体单元进行了全波仿真,在电磁波垂直于吸波体入射的情况下得到反射率曲线,结果如图2 所示,吸波体在3.95～17.1 GHz 频段内反射率小于-10 dB,相对带宽达到124.9%;在4.6,11 和16.45 GHz 处有3 个吸收峰,反射率分别为-11.8,-45.5 和-20.9 dB,对应吸收率分别达到93.4%,99.9%和99.2%。

图2 吸波体的仿真反射率Fig.2 Simulated reflectivity of the absorber

通过吸波结构表面电流分布图和史密斯圆图(如图3 所示)的分析,探究了三个吸收峰产生的原因。

在电磁波垂直入射时,三个吸收峰对应的表面电流分布如图3(a)～(f)所示,箭头表示电流方向,颜色深浅表示电流强度(单位:A/m)。从图中可以看出,在4.6 GHz 处,表面电流主要分布在平行于电磁波电场分量的金属条带上,顶层表面电流方向与底层表面电流方向相反,此时结构产生磁共振;在11 GHz处,表面电流主要分布在环结构加载贴片电阻的四角,顶层表面电流方向与底层表面电流方向相同,结构产生电共振;在16.45 GHz 处,分布在凹金属条带(平行于电场方向)上的表面电流方向与底层表面电流方向相同,四角上的表面电流方向与底层表面电流方向相反,此时结构产生电磁共振。金属条带自身存在的电阻可忽略不计,贴片电阻是结构中欧姆损耗的主要来源,表面电流流经贴片电阻将电磁能转化为热能。此外,通过史密斯圆图图3(g)可以看出11 GHz 处的阻抗匹配最好,16.45 GHz 处的阻抗匹配优于4.6 GHz,和3 个吸收峰的吸收强度一一对应。

图3 在4.6,11,16.45 GHz 频率处(a～c)顶层表面电流和(d～f)底层表面电流;(g)史密斯圆图Fig.3 (a-c) Top layer surface current and (d-f) bottom layer surface current at 4.6,11,16.45 GHz;(g) The Smith chart

2 电阻参数影响

由于不同阻值的贴片电阻会改变吸波体吸收性能,本研究分析了电阻值大小对吸收率的影响,如图4 所示。贴片电阻为50 Ω 时,存在3 个吸收峰,但仅在低频有良好的吸收率,有效吸收带宽较窄,随着电阻阻值升高到100 Ω,3.95～17.1 GHz 内反射率在-10 dB以下,吸收率达到90%以上;电阻为150 Ω 时,在宽频带内形成一个反射率较为稳定的吸收带;当阻值达到200 Ω 时,吸收峰从最初的3 个转变为了2 个,此时吸收带宽及吸收率综合性能有所下降。电阻阻值的改变主要影响了结构的阻抗匹配,从50 Ω 增加到100 Ω 的过程中,宽频带内阻抗匹配性能逐渐提升,吸收强度不断提高,由图3(g)可知当电阻为100 Ω时,在11 GHz 处达到接近于完美的阻抗匹配,随着电阻继续增大,完美阻抗匹配被打破,反射率的升高导致该频点处的吸收峰逐渐消失。宽频带内稳定且更强的吸收率一直是吸波体设计的目的之一,本结构最终选用150 Ω 的贴片电阻,此时吸波体在5.8～15.95 GHz 范围内反射率小于-15 dB,吸波率达到96.8%以上。

图4 反射率随电阻阻值大小的变化Fig.4 Variation of reflectivity with resistance

3 极化稳定性与角度稳定性

工程应用对吸波体的入射极化稳定性和入射角稳定性提出了要求,为了检验吸波体的极化稳定性,图5 分析了0°～90°时的反射率稳定性,不同极化角度下反射率基本保持一致,结构对电磁波极化不敏感。

图5 反射率随极化角度的变化Fig.5 Variation of reflectivity with polarization angle

然后模拟了吸波体电磁波斜入射情况下的稳定性,如图6 所示。斜入射下自由空间阻抗与电磁波的极化相关,TE 极化模式下,ZTE=Z0/cosθ;斜入射角θ范围为0°～30°时,吸收率在5.2～14.3 GHz 频带内保持90%以上,在40°斜入射时,高频吸收率出现衰减,但低频的吸收率保持良好。TM 极化模式下,ZTM=Z0cosθ,斜入射角θ范围为0°～30°时,吸收率较为稳定,与垂直入射时几乎相同。在40°斜入射时,吸收频带向中间收缩,两端吸收率下降。不同极化下的自由空间阻抗随入射角的变化趋势相反,当入射角较小时,ZTM与ZTE差距小,接近垂直入射时的阻抗,故两种极化下的反射率相似,随着入射角度的升高,阻抗变化较大,良好的阻抗匹配性被打破,不同角度与极化下的反射率会出现明显的差异。总的来说,对于TE 和TM模式,吸波体都能在30°斜入射范围内保持反射率的稳定。

图6 (a)TE 和(b)TM 偏振斜入射时的仿真吸收率Fig.6 Simulated absorptivity of (a) TE and (b) TM polarization oblique incidence

4 测试结果

为验证本文提出的基于单层FSS 吸波体设计的有效性,制作了相应的试验原型,如图7 所示,结构整体尺寸为300 mm×300 mm (19×19 单元),通过柔性印刷电路板的制备方式将金属周期结构刻蚀在厚度为0.1 mm 的柔性PI 膜上,采用表面贴装技术(SMT)将封装为0402、阻值大小为150 Ω 的贴片电阻焊接在周期结构上,按照吸波体的立体结构示意图,使用热熔胶膜将制备好的FSS 结构、PMI 泡沫支撑层和金属底板粘接在一起,后通过高温真空袋压的方式将胶膜固化完成吸波体结构制备。

图7 原型照片Fig.7 Photographs of the prototype

采用弓形法在微波暗室中对样品进行测试,使用矢量网络分析仪连接到两个宽带双棱喇叭天线测出反射率。仿真和实测结果如图8(a)所示,实测结果表明吸波体在5.3～17.5 GHz 频带内反射率小于-10 dB,吸波体在6.3～15.7 GHz 频带内反射率小于-15 dB,图8(b)、(c)分别为斜入射下TE 和TM 偏振的测试吸收率,测试结果表明吸波体有较好的入射角稳定性,与仿真结果基本吻合,微小的差异是由于板材在加工复合过程中的误差造成。

图8 (a)正入射下仿真和测试反射率;(b)TE 和(c)TM 偏振斜入射时的测试吸收率Fig.8 (a) Simulation and measured reflectivity under normal incidence;Measured absorptivity of(b) TE and (c) TM polarization oblique incidence

以往文献报道的吸波体设计中,往往忽略了面密度这一重要指标,表1 列出了本文所设计的吸波体与先前报道文献的性能比较。

表1 性能对比Tab.1 Performance comparison

对比可以看出本文设计的吸波体的面密度仅为0.678 kg/m2,且在吸波频带内吸波率大于96.8%,在密度低、厚度薄、吸波强的要求下,保持了较好的综合性能。

5 结论

提出了一种基于单层频率选择表面(FSS)的超宽频吸波体。通过分析表面电流分布图以及史密斯圆图,解释了多谐振点产生的原因,通过修改参数,吸波体单元结构对称,极化不敏感;有较好的入射角稳定性。仿真数据显示结构厚度为6.6 mm 时,在4.7～16.75 GHz 频带内反射率小于-10 dB,强吸收频带为5.8～15.95 GHz,频带内反射率小于-15 dB;测试结果显示,样品在5.3～17.5 GHz 频带内反射率小于-10 dB,6.3～15.7 GHz 频带内反射率小于-15 dB。整体仿真与实测结果吻合较好。本文设计的吸波体兼具轻质、宽带和高吸收率的性能,有较好的综合表现。