【最新成果】超宽带宽角极化不敏感的电路模拟吸波材料设计

点击蓝色“雷达学报”关注

随着雷达探测技术的不断发展，军事单位的电磁隐身特性成为各国军事研究的核心课题。作为最常使用的隐身技术之一，电路模拟雷达吸波材料得到了快速发展与应用。但雷达探测天线性能的日益进步，对吸波材料的工作带宽和吸波角度提出了更加严格的要求。中山大学肖绍球教授团队，如图1所示，针对该问题，构建了准确的等效电路模型以及严格的数学计算模型，提出了一种基于有耗导电方环周期阵列和宽角阻抗匹配层的宽带宽角吸波材料，为隐身技术等领域的宽带宽角发展和应用奠定了基础，为我国掌握相关核心技术和突破国际垄断提供支撑，具有重大的应用价值和科学意义。

图1 中山大学肖绍球教授团队合影

背景介绍

雷达吸波材料可以定义为一个空间电磁(Electromagnetic, EM)滤波器，在特定的工作频段内既不反射也不透射入射到其表面的电磁能量。自从其诞生伊始，一直是国际研究热点，也是各国超材料研究争夺的制高点，在军事国防领域具有重要应用价值。

Salisbury吸波材料于20世纪50年代被提出，由阻性材料层和导电平板组成，两者之间的距离为1/4波长。该吸波材料结构简单，但吸波带宽很窄。Knott等人使用多层阻性层来增加带宽，但同时会导致剖面高度上升。近十年来，以有耗频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)为损耗层的电路模拟吸波材料被提出并得到了迅速的发展，逐渐被证明是高性能吸波材料设计的最有效方法之一。

传统的吸波材料设计往往只针对电磁波正入射情况。2010年F. Costa等人提出了一种基于有耗方环FSS的宽带吸波材料，实现了112%的带宽，整体剖面高度为0.104λL。2013年Shang等人引入了有耗双方环FSS阵列来获得3个谐振点，如图2所示，当厚度为0.088λL时，获得了126.8%的带宽。同时，作者在文章提出了一种详细的电路模拟吸波材料分析与设计思路，具有重要的指导意义。

图2 基于有耗双方环阵列的超宽带吸波材料

但同时，传统雷达吸波材料设计的缺点也十分明显。在正入射超宽带吸波材料设计的同时，由于FSS阵列、空间波阻抗等对电磁波入射角的敏感性，吸波材料的吸波性能会随入射角的增大而恶化明显。当入射角度大于30°时，将不能保证90%以上的电磁波吸收。由于实际应用中电磁波并不总是垂直入射，因此提高斜入射，尤其是大角度情况下吸波材料的吸波性能具有重要意义。但目前而言，由于缺乏足够的斜入射电磁、数学理论基础与分析方法，很少有相关研究同时考虑正入射与双极化斜入射的整体吸波性能。

团队工作

宽角阻抗匹配层自21世纪初逐渐被应用于宽带宽角扫描相控阵的设计中，由于吸波材料和天线可以看作一对互易器件，针对前文提到的问题，中山大学肖绍球教授团队尝试根据互易原理来改善斜入射吸波性能。该文在传统的方环吸波材料的基础上添加了由两层无耗F S S构成的宽角阻抗匹配层，如图3所示。与传统的吸波材料相比，TE(Transverse Electric)和TM(Transverse Magnetic)两种极化情况下的最大吸波角均由30°增加到45°，正入射时的吸波带宽达到137.1%，且在111.1%的公共带宽内实现了至少10 dB的正斜入射反射系数衰减， 对于我国突破国际垄断，为宽带宽角雷达吸波材料理论与设计积累核心技术，具有重大的应用价值和科学意义。

图3 吸波材料结构示意图

该工作已发表在《雷达学报》2021年第2期“信息超材料及其雷达应用”专刊论文“超宽带宽角极化不敏感的电路模拟吸波材料设计”（姚智馨，肖绍球）。

论文介绍

该文所设计宽带宽角吸波材料的结构如上图3所示。整体结构由上而下依次为由两层无耗方环FSS构成的宽角阻抗匹配层、一层有耗方环FSS以及导电金属平板，各层之间填充空气介质，在有耗方环FSS的每条金属边上嵌入集总元件以引入热损耗实现电磁入射能量吸收。

进一步，为了更加直观准确的分析所设计吸波材料的工作性能，文章提出了一种基于等效电路模型的分析方法。图4即为得到的等效电路，其中将有耗方环FSS阵列和介质材料依次等效为串联RLC支路与长度相同的传输线模型。因此，整个吸波材料的等效电路模型由一个串联RLC电路、两个串联LC和6条传输线组成，如图2所示。电路元件L1和C1表征WAIM层中的方环FSS，而R2、L2和C2对应有耗层FSS。

图4 所设计具备宽角阻抗匹配层的吸波材料的等效电路模型

基于等效电路模型，该文章随后推导得到正斜入射时等效集总元件与结构参数之间的数学函数关系以及最终的反射系数表达式，构建了从结构模型、参数尺寸到反射系数的正向计算数学模型，从而极大地简化分析设计流程。假设频率范围为1~8GHz，优化目标为TE、TM双极化正、斜(45°)情况下公共吸波带宽的最大值，结合差分进化算法，文中优化得到最终的频率响应结果如图5所示。在垂直入射下，反射系数至少降低10 dB的百分比带宽可达140.0%，而在入射角增加到45°时，TE和TM极化下的吸波带宽分别为147.8%和126.5%。公共频带为1.8-6.4GHz，对应百分比带宽为112.2%。

图5 算法计算与软件仿真分别得到的正斜入射情况下最优反射系数结果

为深入了解宽角阻抗匹配层的实际作用机理，文章将图4中所示的等效电路模型简化，如图6所示。Y_layer1、Y_layer2、Y_RLC2和Y_GND分别代表两层无耗WAIM层、损耗层和金属平板对输入导纳的作用。众所周知，输入导纳虚部零点是反射系数谐振频点产生的必要条件，即

图6 为了分析简化得到的等效电路模型

以TM极化电磁波入射为例，若只考虑YRLC2和YGND，可以很容易的计算得到正斜入射情况下两者虚部的频率响应结果，如图7所示。可知，随着入射角的增大，空气和介质基板的电长度逐渐降低，BGND总体曲线下移。由于BRLC2在低频段保持稳定，因此在没有WAIM层作用的情况下，低频段正入射情况下实现的阻抗匹配在斜入射下将逐渐失配，导致斜入射性能恶化明显。另一方面，在高频段，RLC支路的电纳值随入射角度的上升而上升，从而部分抵消基板电纳的下降，保证斜入射时较高的导纳匹配效果及吸波性能。同理，针对TE极化波可以得到完全相似的结论。也就是说，提高斜入射时吸波材料吸波性能的关键即在TM极化的低频段和TE极化的高频段分别引入随入射角上升而增大的电纳值。

图7 YGND和YRLC2在TM正斜入射时的电纳值

另一方面，图8给出了TM极化条件下WAIM层中Ylayer1和Ylayer2在正入射和斜入射下虚部的频响结果。结果表明，随着入射角的上升，这两个电纳值均在低频段增大，从而部分抵消了之前提到的BGND下降。也就是说，只要能够保证正入射时的导纳匹配，在斜入射时同样能够实现良好的匹配效果，进而大大改善了吸波材料在TM极化下角度稳定性。

图8 Y_layer1 和 Y_layer2在TM极化正斜入射时的电纳值

为验证所设计模型的准确性，该文加工、制作了13 × 13个单元的样件进行实验测试，如图9所示，总尺寸为195 mm × 195 mm。

图9 加工样品示意图

在电磁波正、斜入射下测得的反射系数如图10所示，并同样给出仿真结果进行对比。结果表明，所设计的吸波材料在正入射时能够实现137.1%的吸波带宽，正斜入射时的公共吸波频段为1.7～5.9GHz，对应的百分比带宽为110.5%。虽然加工误差引起了一定的频率偏移，但计算结果与仿真、实测结果仍有较高的相似性。

图10 实验测试得到的正斜入射情况下反射系数结果

作者简介

姚智馨（1995-），男，河南信阳人，电子科技大学博士研究生。主要研究方法为超材料、雷达吸波材料的理论与设计。

肖绍球（1975-），男，湖南桑植人，博士，中山大学电子与信息工程学院教授。主要及研究方向包括面向无线通信、雷达系统的相控阵天线理论与技术人体可穿戴、可植入式天线与器件、电波传播与无线通信和电磁散射调控及其应用。

网站论文全文请点击“阅读原文”。↓↓↓

相关阅读

编辑：于青

审核：贾守新

声明

欢迎转发本号原创内容，转载和摘编需经本号授权并标注原作者和信息来源为《雷达学报》。

本号发布信息旨在传播交流，其内容由作者负责，不代表本号观点。如涉及文字、图片、版权等问题，请在20日内与本号联系，我们将第一时间处理。《雷达学报》拥有最终解释权。