大扫描角度下具有极化不敏感特性的超宽带频率选择吸收体.pdf

射频微波与太赫兹Jun.,20232023年6 月RESEARCH&PROGRESSOFSSEVol.43,No.3第43卷第3期与进展子学研究固体电大扫描角度下具有极化不敏感特性的超宽带频率选择吸收体王哲飞张晋滔曾庆生？孙冬娇宋明歆3（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京，2 10 0 44）（南京航天航空大学航天学院，南京，2 10 0 16）（海南大学应用技术学院，海南，詹州，57 17 37）2022-10-17收稿，2 0 2 3-0 3-16 收改稿摘要：提出了一款具有斜人射稳定特性的超宽带极化不敏感人工电磁吸收结构，与传统结构相比，随着入射角的增大，吸收性能恶化程度大大降低。为了获得宽带和极化不敏感的吸收特性，通过采用两层混合电磁谐振模式的周期结构有耗层与一层反射底板组成的三层吸收结构，设计了电磁波斜入射时最佳的阻抗匹配行为，并利用等效电路模型分析了结构的工作机理。结果表明，该吸收体在6 0 人射角下仍具有稳定的吸波性能，吸收带宽达到了143.2%，而且在不同极化人射下得到了几乎一致的频率响应。关键词：人工电磁吸收结构；大入射角度；极化不敏感；超宽带中图分类号：TM25文献标识码：A文章编号：10 0 0-38 19(2 0 2 3)0 3-0 2 41-0 6Ultra-wide Band Frequency-selective Absorber Featuring Polariza-tion Insensitivity Absorptive Response under Large Incident AngleWANGZhefeilZHANG JintaoZENG QingshengSUN DongjiaoSONG Mingxin3(School of Electronics and Information Engineering,Nanjing University of Information Engineering,Nanjing,210044,CHN)(2 School of Astronautics,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016,CHN)(3 College of Applied Technology,Hainan University,Danzhou,Hainan,571737,CHN)Abstract:In this paper,an ultra-broadband polarization-insensitive artificial electromagnetic ab-sorbing structure with oblique incidence stability was proposed.Compared with the traditional struc-ture,the deterioration of the absorption performance was greatly reduced with the increase of the inci-dent angle.In order to obtain broadband and polarization-insensitive absorption characteristics,thebest impedance matching behavior under oblique incidence of electromagnetic waves was designed byusing a three-layer absorption structure consisting of two layers of periodic structure lossy layers withmixed electromagnetic resonance modes and a reflective backplane,and using the equivalent circuitmodel to analyze the working mechanism of the structure.The results show that the absorber still hasa stable absorbing performance at an incident angle of 60,the absorption bandwidth reaches 143.2%,and almost the same frequency response is obtained under different polarization incidents.Key words:artificial electromagnetic absorption structure;large incidence angle;polariza-tion insensitivity;ultra-broadband联系作者：E-mail:43卷242固体电子学研究与进展http:/引言频率选择表面（Frequency-selective surfaces，FSSs）又称为人工电磁表面（Artificial electromagnetic surfaces）1-3，是一种周期性的电磁调控结构，近年来因其突出的空间滤波特性被学者们广泛地研究4-6。频率选择表面具有重量轻、剖面小等优点，因此常常被应用于隐身领域在现有文献中，大多数FSSs吸收体是通过实现结构等效负介电常数与磁导率来得到单一频点的高吸收率7。在FSSs吸收体的设计中，吸收体结构一般通过匹配介电常数和磁导率来实现超材料与自由空间的阻抗匹配，最大限度地减少人射能量的反射(8 9)。吸收体的带宽可以通过多重谐振结构10、多层结构1、增加集总电阻元件12、改变有耗层图形的形状13来拓宽。吸收体为了能满足极化不敏感的要求，通常采用对称结构设计141。目前，人们提出了许多基于集总元件的FSSs吸收体，包括角稳定性型15、宽带型16、可切换型17 等。FSSs吸收体在复杂的环境中应用受限，有些情况下需要将吸收体倾斜放置，吸收体的角稳定性是保证应用功能的前提。因此，角稳定性仍然是学者们需要更进一步解决的关键问题。传统设计中的电路模拟吸收体通常在电磁能量垂直人射的情况下呈现其最佳的吸收响应，这类设计只扩展了吸收结构的带宽，并没有解决电磁能量在非垂直人射情况下吸收性能变差的问题，并且随着人射角度的增加，该类设计的隐身性能通常随之恶化。为解决传统吸收结构性能随人射角度恶化的问题，本文提出了一种新型的宽带人工电磁吸收结构。该结构由两层有耗人工电磁表面构成，并通过阻抗涂层对入射电磁能量进行吸收，随着入射角度的增加，可与电磁能量更好地阻抗匹配，从而实现了大入射角度下的超宽带电磁吸收响应。并且，本设计可实现极化不敏感的稳定吸收特性，提升载体的隐身能力。1结构设计1.1三层吸收结构采用的吸收结构如图1（a)所示，由两层有耗层与一层金属反射板组成，分别为有耗层I、有耗层II和金属反射板。有耗层I与有耗层II之间的间距为ti,有耗层II与金属反射板之间的间距为t，吸收结构的边长为m。图1(b)和(c)分别为有耗层I和有耗层II周期单元结构。采用两层有耗层的目的在于获得较大的带宽。有耗层II与金属反射板用于实现宽带吸收功能，有耗层I用于优化结构阻抗匹配的特性。I层与II层的吸收特性均通过有耗涂层来实现，其表面电阻2 10 Q/sq。各层结构之间均由0.25mm厚的FR-4介质（介电常数为4.3）支撑。各单元均沿着与轴周期分布，且一轴方向为电磁波人射方向。在电磁波入射激励下，人射能量将会被束缚在有耗层与反射板之间并被有耗模块吸收。Lossy layerI-XLossy layerIlIncidentenergyReflectorplateLossy coatingSheetmetalmRF-4(a)bd8hPP(b)(c)图1所提出的吸收结构：（a)整体结构；(b)有耗层I;（c)有耗层IIFig.l Proposed absorption structure:(a)The whole struc-ture;(b)Lossy layer I;(c)Lossy layer II有耗层I和II中每个周期单元结构的边长为p，有耗层I中的正方形金属槽的外边长为6、内边长为d,八角形金属片的边长为和c;有耗层I中的正方形金属片的外边长为h，金属槽的宽度为e，十字型金属槽的宽度为长度为g。采用电磁商用仿真软件CSTMicrowaveStudio用于结构建模以及数值计算，优化后的具体结构尺寸如下：a=7mm、6=5m m、c=7mm、d=4m m、e=1m m、f=0.2 5m m、g=9 mm、h=8 mm、p=13mm。1.2等效电路设计为了分析吸收体的吸波性能，基于传输线理243王哲飞等：大扫描角度下具有极化不敏感特性的超宽带频率选择吸收体3期论，建立等效电路模型如图2 所示。电磁波照射到金属层产生表面电流，引起电感和电容效应，分别用电感元件和电容元件来模拟。根据电磁波理论，电磁入射波照射到金属表层时，金属间的空隙呈电容特性，而金属贴片呈电感特性，等效电路中的R全都为表面电阻，阻值为2 10 2。在等效电路模型中，电介质层和空气层可以用单独的传输线来表示。损耗层I和损耗层II的厚度可以用带有特性阻抗Za=Zo/Vet、长度等效于衬底厚度d的短传输线模型来表征，其中Z。=37 7 为自由空间阻抗，t为介电材料的相对介电常数。Lossy IdhLossy IIdhzR.LCR4R,R,R20L4L2CZ图2等效电路模型Fig.2Equivalent circuit model为了估算吸收体的频率响应，根据文献18-19 的方程近似计算了图中的有效电容电感值，如下所示：2p1C=EoEefr(1)Insin元/2 p)元1L=oeff(2)2元sin元e/(2m)其中为自由空间介电常数，eet为容性贴片所在介质的有效介电常数，p为单元结构的尺寸大小，s和e分别是吸收体结构的长和宽。有耗层I和有耗层I的阻抗分别为：1Zrssi=RI+j(wLI-C(R2+jaL2)R+iiL3-WC2(3)1(R2+joL2)+R+j(wL;WC21(R4+joL)Rs+iwLs-WC:Zrss2-(4)1(R4+joL4)+R,+jL5WC3其中=2 元f，f 为工作频率。根据公式（1）和（2），使用ADS仿真模拟优化模型得出等效电路中的各个元件数值：L,0.01nH、Lz=0.01nH、L3=1.16 n H C=0.0 3p F.C z=0.0 4p FL=0.2nH、Ls=2 n H、C=0.3p F、R=R,=R,=R3RR=210Q。经过ADS仿真软件的验证，通过图2 中等效电路模型的数值模拟可以与CST仿真模型模拟达到高度一致的吻合。根据公式（3）和（4)所述，可以得到有耗层I和II在不同频率下的阻抗匹配特性。根据吸收原理，只有当人射的电磁波与吸收体实现较好的阻抗匹配时，吸收体才能吸收更多的电磁波、吸收带宽范围更大。下文将对阻抗的实部虚部特性进行分析研究，进一步讨论吸收体的工作性能。2性能及结果分析2.1等效电路模型及结构参数影响分析为了更好地理解采用如此复杂图形结构的工作方法，对有耗层I中的正方形贴片金属槽的内边长d和有耗层II中的正方形金属片的外边长h进行分析研究，发现改变外边长参数的大小，吸收性能随之发生变化，如图3和4所示。0-10-20-d=3.0 mm.d=3.5 mm-30d-4.0 mmd-4.5 mmd-5.0 mm-4026101418222630Frequency/GHz图3参数d对吸收性能的影响Fig.3Effect of parameter d on absorption performance0-1