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1、电路模拟吸波材料中FSS的研究进展,1 引言,在现代战争中，雷达是主要的探测手段，所以为了应对雷达，各国都在加大雷达隐身武器的研究，技术核心就是减小雷达散射截面（RCS）,而降低RCS的主要手段就是在雷达探测目标上运用吸波材料。隐身飞机，隐身潜艇，隐身导弹，隐身坦克的相继出现使得现代战争进入新的领域。除了军事方面，由于现在电子设备的大量运用，设备之间的电磁干扰的出现也影响着其运行。于是民用方面的吸波也有大量的运用，如安全防护、抗电磁波干扰、微波暗室、信息保密和电磁兼容等。,1 引言,对于吸波材料的主要要求就是：薄 宽 轻 强近年来，各国科研人员加大了对吸波材料的研究，出现了各种新型的吸波材料，
2、如电路模拟材料吸波、纳米材料吸波、智能材料和手性材料等。本文主要介绍了近年来在电路模拟吸波材料中频率选择表面（FSS）的研究进展。,2 吸波机理,目前对于吸波的各个研究都是围绕两个要素 :一：最大限度的吸入入射波而不被反射；二：能迅速的使进入内部的电磁波被吸收衰减 。首先要使电磁波最大限度的进入材料内部而不被反射需要进行阻抗匹配，即采用特殊的边界条件与空气阻抗匹配。对于垂直入射的电磁波，要实现阻抗匹配，涂层的相对磁导率 要和相对介电常数 相等。,2 吸波机理,电磁场的传输理论，对于单层吸波结构有： 其中Z为电阻层阻抗， 为介质的本证阻抗， 为传播常数。涂层表面振幅反射率 可用下式计算：其中 为
3、自由空间的波阻抗，所以有上面公式可得当 时，反射系数为0。所以符合阻抗匹配的条件 。,2 吸波机理,其次是电磁波进入吸波涂层后吸波涂层需要足够高的电磁损耗，使得电磁波迅速的衰减转化为机械能、热能和其他的一些能量即材料需要足够大的介电常数虚部或磁导率虚数。一般吸收型涂层的反射率不为0，但是它比干涉型涂层的响应频带要宽。,3 频率选择表面（FSS）,将有耗介质和FSS（电路屏）复合成的吸波材料叫做电路模拟吸波材料，FSS通常是二维周期性的贴片、孔径或槽型的电振子结构，由于这种结构对不同频率的电磁波有不同的反射能力，所以FSS可以选择性的过滤电磁波。如前面提到的，FSS的单元可以是贴片、孔径或槽型，
4、FSS单元几何形状比较丰富，如偶极子形、十字形、方形、圆形或Y形，还有一些六边形和最近的一些双方形 （如下图）,3 频率选择表面（FSS）,3 频率选择表面（FSS）,从报导的来看按材质FSS通常分为金属型和电阻型。,3 频率选择表面（FSS）,不同类型的FSS单元基本上呈现 4 种标准的频率特性,即带阻、带通、低通和高通。4类滤波器的传输特性见图 3所示。这4种基本的滤波器可以通过混合设计而产生其它独特性能的FSS。研究发现，孔径型FSS在低频反射来波信号，在高频传输来波信号( 类似于高通滤波器)，而贴片型FSS则在低频传输来波信号， 在高频反射来波信号( 类似于低通滤波器),3 频率选择表
5、面（FSS）,4 理论研究,传输线法 ：用等效电纳代替方格栅型FSS，采用S.W.Lee等提出的公式计算FSS电纳，用传输矩阵计算材料表面的反射率,4 理论研究,对于单层材料而言，只有感性FSS才能减小材料表面的反射率；对于多层材料而言，利用多层结构可不受FSS感容性的限制，可得到比单层更好的宽带特性。传输线法的优点是模型简单、计算量小。缺点就是适用范围小，对FSS的尺寸和厚度都有要求。,4 理论研究,有限差分（FDTD）法 ：利用FSS周期单元模型和FSS与有耗介质的一系列参数，就可计算出电路模拟吸波材料的反射率。FDTD法的缺点就是占用计算机资源大，计算周期单元的尺寸不能过大。随着近年来计
6、算机性能的提高和时域差分法的逐渐成熟，FDTD法得到广泛的运用。,5 FSS的优化设计,对于FSS的优化设计是很一个很重要的环节，直接关系到所研究的FSS能否符合工程应用标准。对于一个各参数没有明确数学关系的FSS结构来说，一个合理、有效的优化设计方案能节省大量的时间和人力物力。FSS优化设计中应用最多的就是遗传算法（Genetic Algorithm-GA），是基于生物遗传学的全局优化方法 。,6 实验研究现状,国内外的专家学者对FSS吸波材料做了大量的理论研究和实验探索，也得到了一些成果。邢丽英等人实验研究了不同尺寸电路模拟结构对吸波复合材料吸波性能的影响，结果表明：吸波复合材料体系的最大
7、吸收峰随电路屏尺寸n、c的增加向低频方向偏移,6 实验研究现状,研究了不同吸收剂含量的介质层体系对吸波复合材料吸波性能的影响规律。,6 实验研究现状,然后他们通过合理的结构设计，在其它条件相同的情况下含电路模拟结构电阻渐变吸波复合材料的吸波性能在8 18GHz范围内有3 5dB的提高；含电路模拟结构 “陷阱” 式吸波复合材料在厚度4mm条件下，实现了吸波性能在818GHz频率范围内吸收率12dB。在提高吸波复合材料吸波性能的同时，电路模拟结构的引入使复合材料力学性能有一定的提高，有利于实现吸波复合材料的吸波承载一体化。,6 实验研究现状,周永江等人用有限元法对十字型电阻贴片频率选择表面吸收体的
8、吸波性能进行了研究，计算结果与实验结果基本吻合。并且他们通过改变十字型电阻贴片FSS的周期排列方式、周期尺寸、FSS单元的尺寸、FSS的方阻、介质层厚度均来实现对其吸收峰的位置、峰值以及带宽进行调节。,6 实验研究现状,Yanan Sha等分析了不同FSS图案及FSS在碳纤维复合材料中的位置对反射特性的影响，并将实验结果和MGA法所的理论结果做了对比，两者具有较好的一致性。张朝发等人也同样研究了圆形、六边形和Y形的频率选择表面复合材料的微波吸收特性。,6 实验研究现状,曲线图表明：减小圆环的半径R和排列周期D有利于拓展吸波材料的有效吸收带宽，同时使材料的最大吸收峰向高频段移动，而对材料的吸收率
9、影响不明显。,6 实验研究现状,下图表明六边形的排列周期D会使材料的反射率明显增大，对材料的有效吸收带宽和反射率峰值的位置影响不大。六边形的边长L存在最佳值，适当减小，可以增加材料的有效吸收带宽，L过小会恶化材料的吸波性能。,6 实验研究现状,Y的臂长和排列周期影响材料反射率峰值的大小和位置，减小周期可以增加高频段的吸收性能，同时增加材料的有效带宽。与圆环和六边形不同之处在于，减小“Y”环结构参数(臂长和周期)，可以降低材料的反射率，这样选择合适的臂长和周期，可使含“Y”环FSS结构的复合材料在高频段范围内具有较好的吸波性能,6 实验研究现状,以上的研究基本上都是着眼于FSS单元的形状和尺寸等
10、一些几何参数的改变对吸波特性的影响。总体来看，改变这些参数对材料的吸波特性有较密切的影响。下面是对FSS材料改性的一些研究。,6 实验研究现状,寇松江等人设计一款具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料， 并使用CST电磁仿真软件对其进行分析。实验表明当使用不同电阻加载(即改变PIN管的偏置电流) 时，该结构的吸波频率随之改变，从而实现吸波频率可控的目的。,6 实验研究现状,姚承照等人通过多层电路屏、掺杂电损耗介质、磁损耗介质层组合、磁电损耗组合的方法，对电路模拟结构吸波材料在21 8GHz区间电磁损耗带宽的拓展进行了初步探索。下面四个图分别表明：1多层电路屏不仅能够有效拓展材料的吸波带宽，同时可
11、以提高材料的吸波效率；2电损耗介质损耗粒子的添加，能够提高多层电路屏的吸波带宽和吸波效率；3磁损耗介质层的组合，能够提高多层电路屏的有效损耗带宽和损耗效果；4磁损耗介质层的组合可以大幅提高该结构的吸波效率，并能够拓展高损耗的带宽。,6 实验研究现状,6 实验研究现状,结果证明：四种方法都能够提高电路模拟吸波材料的有效吸波带宽，并能够不同程度地提高材料的吸波效率。多层电路屏、掺杂电损耗介质的多层电路屏、组合磁损耗介质层的多层电路屏、组合磁损耗介质层和电损耗介质的多层电路屏，其反射率-5 d B的带宽较单层电路屏的1.2 GHz分别增加了6.4、1 0.6、9.6、1 0.6GHz，最小反射率分别
12、达到-8、-1 0、-l 2、-25dB。,7 总结与展望,目前国内外对于FSS主流的研究方法就利用有限差分法对设计的FSS参数进行建模数值分析，得出理想的吸波特性，然后再根据参数进行实验制备，对制得材料进行吸波性能测试。再将实际测得数据与建模分析进行对比，这样可得出设计的FSS结构可靠性与否。但是目前还没有一个理论能系统的解释电路模拟吸波机理。对此还需要更为深入的研究。,7 总结与展望,FSS单元的几何形状可不用拘泥于比较简单的现状。由于现在激光技术的发展，可利用激光加工出更多更复杂的FSS单元的几何形状，也可加工一般冲压不能达到的精度标准，或者是表面层微结构的改变，也可能对材料的吸波性能有一定影响。此外，可运用掺杂手段和设计主动的FSS电路模拟材料等来改善FSS的吸波特性，有关这些方面的研究近年也有报导，对此也应该有更深的研究。,谢谢大家,
