一种基于有源频率选择表面的可调吸波体特性分析

引用格式：曾宪亮,张麟兮, 万国宾.一种基于有源频率选择表面的可调吸波体特性分析[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(2): 36–41. ZENG X L, ZHANG L X, WAN G B. Performance analysis of a tunable absorber based on active frequency selective surface[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(2): 36–41.

一种基于有源频率选择表面的可调吸波体特性分析

曾宪亮，张麟兮，万国宾*西北工业大学电子信息学院，陕西西安 710072

摘 要:［目的］周期结构吸波体可有效吸收入射电磁波并降低目标反射特征。提出一种基于有源频率选择表面（ AFSS）的微波吸收体，通过加载 PIN二极管，实现对吸波体频带范围的动态调控。［方法］首先，利用电磁仿真软件CST研究吸波体结构的可调控特性，探究PIN二极管等效电阻随偏置电流变化时吸波体反射率改变的情况；然后，采用多反射干涉理论分析多层结构中电磁波传播反射的特性，确定理想吸波情况下不同路径电磁波的幅度和相位条件；最后，加工实物样件在微波暗室进行测试和验证。［结果］结果表明，加载 PIN二极管后，吸波体反射率随之改变，且在 2.5~9.1 GHz频带范围灵活可调。［结论］研究成果在武器装备电磁隐身设计方面具有一定应用价值。

关键词：隐身技术；有源频率选择表面；PIN二极管；雷达隐形材料；反射率；干涉理论

中图分类号: TN03；U674.7 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01713

本文所提 AFSS吸波体的单元结构如图1所示。该单元的上层为含有PIN二极管的 AFSS 结构，主要由 2个反向的锚型金属图案构成，PIN二极管加载在中间位置；第 2层为支撑 AFSS 的介质层 Arlon AD 250C ，其相对介电常数 ，损耗正切 tanδ1=0.001 3；第 3层为泡沫隔离层，介电常数和损耗正切分别为 tanδ2=0.005 ，此处，选择厚度较大、介电常数较小的泡沫作为隔离层可有效提升结构的工作带宽盖的金属背板。图1 中， E， H和 k分别为入射电磁波的电场、磁场和波矢方向。单元结构的几何参数如表1所示。

场极化方向沿中间金属条带方向。由于底层为金属背板，电磁波无法透射，因此反射率即可反映吸波体结构的吸波性能。在二极管类型方面，本文选取了 NXP BAP 70-03 二极管，将 PIN 二极管等效为一个电阻值随正向电流的增大而逐渐减小的可变电阻；全波仿真中，在正向导通的情况下，将PIN二极管设置为一定电阻值的集总元件模型。图 2所示为二极管不同等效电阻时AFSS 吸波体在 2~10 GHz频段内相应的反射率仿真结果。图 2中对应的反射率结果几乎完全一致。这表明， AFSS吸波体的低反射率特性是 PIN 二极管等效电阻产生欧姆损耗导致的结果。

（其中 r为幅度）；部分电磁波发生透射，可将透射系数记为 。透射电磁波在区域2内继续传播，在金属背板的界面2上产生全反射，其反射系数为达界面 1时同样产生部分透射和反射，其系数可分别记为 和反射和透射，后续的多次反射系数和透射系数分别记为 和 和 θ分别为反射系数和透射系数的相位。因此，在空间区域1中将界面1上的多个反射波叠加，最终测得的反射波是由多个不同路径的电磁波叠加而成，由此，可得到整个超材料结构的反射波，其表达式为

π (3) (4)

式（3）和式（4）即为吸波体结构理想吸波的幅度及相位条件。为验证上述结论，图 6相应地给出了当 PIN二极管等效电阻为 100 Ω时，仿真获得的幅度和相位结果。由仿真计算结果可知，在5~6 GHz 频带范围内，由散射参数计算的2种幅度响应几乎一致，且相位趋近于 0°，即同时满足上述的幅度和相位条件；对应地，幅—相条件页可反映图2中AFSS吸波体在该频带范围内表现出的低反射特性。

采用多反射干涉理论可以有效地研究和分析本文所提出的 AFSS吸波体反射率调控特性的问题。在实物加工与测试中，确立最终的仿真模型后，采用印刷电路板技术制备了上层附着于Arlon介质的平板 AFSS实验样件，如图 8(a) 所示。实物样件总共包含 10×10个周期单元，上、下层金属结构的电导率为 5.8×107 S/m。整体结构的物理尺寸为415 mm×415 mm，为中心频率6 GHz 对应波长的8.3倍。在实测中，根据仿真模型，在上层AFSS样件和底层金属背板间添加了一层厚度为10 mm的泡沫层。每排10个单元中的二极管在串联后，正、负极分别连接至左侧和右侧，由0.5 mm的细馈线最终汇总至板子下层集中馈电；由于采用串联馈电，每排 10 个 PIN二极管上流经的电流相同，因此其所处状态及等效电阻也完全相同，从而实现了良好的偏置控制。采用的PIN 二极管型号为 NXP BAP 70-03，当其正偏电流从 0.1 mA 增加至 100 mA时，等效电阻将从 330 Ω逐渐减小至2Ω。图 8(b)为反射率测试示意图。在微波暗室内，将样件平板固定在转台上，收发天线与转台的距离满足了测试要求的远场条件。为减小背景杂波和环境等因素的干扰，在微波暗室内和转台周围放置有锥形吸波材料。为获得 AFSS吸波体实物样件的反射率，首先将同样大小的金属铝板放置在转台上，测试此时的反射参数频响，并作为校准值，然后将实物样件放置在相同位置，逐渐改变直流电源的电压大小，其他条件均保持不变，测得每一个正向电压下 AFSS吸波体的频响特性，并与金属背板测试所得的反射参数作差，即为 AFSS吸波体的反射率。图9所示为最终测试结果，图中标注的电压数值为10 个 PIN二极管串联后的总电压，因此每个二极管两端的电压变化范围为0.55~0.7 V。由测试结果可知，当逐渐改变偏置电压时， AFSS吸波体可在 2.5~9.1 GHz频带内保持较低的反射率。与仿真结果相比，测试的反射率在3.5~ 4.9 GHz 时要略大于−10 dB，但均在−8.5 dB以下。测试结果显示的调控趋势和频带范围基本与仿真结果一致，出现较小的误差可能包括3个原因：一是 PIN二极管人工焊接中产生的寄生效应难以在

仿真中真实体现；二是测试样件的尺寸为有限大小，而仿真对象为无穷大的周期结构；三是在实物加工和暗室测试过程中，人为的操作可能会带来一定的误差。由 PIN二极管加载的 AFSS与含金属背板的介质组合，可构成一种新型微波可调吸收体。通过改变加载到二极管两端的偏压状态，利用不同阻抗状态下的欧姆吸波效应，即可实现在2.5~9.1 GHz频带范围内对 AFSS吸波体的反射率动态调控。本文设计的宽带可调吸波体，在多频复杂电磁环境下的武器装备隐身设计中具有一定的参考价值和应用前景。

参考文献：

朱炜, 陈炜, 冯洋.水面舰船雷达波隐身技术与总体设计 中国舰船研究,徐永顺, 别少伟, 江建军, 等.含螺旋单元频率选择表面的宽频带强吸收复合吸波体 物理学报