S频段领结型贴片吸波层的设计与实验研究

汤 炜 武菲菲 刘禹杰

S频段领结型贴片吸波层的设计与实验研究

汤 炜 武菲菲 刘禹杰

（华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门361021）

研究设计了一种S频段宽带领结型贴片结构的微波吸波层.从Floquet定理可得，电磁波照射到周期结构时其反射及透射波可分解为一系列Floquet模，周期结构尺寸的减小会使得高阶模成为衰减波并抑制其反射，这一现象有利于吸波层的设计.但由于减小单元尺寸限制了单元内部贴片的尺寸，不利于周期单元在较低频段谐振.基于天线理论，选择领结型结构作为周期单元贴片，设计出了一种宽带超薄型微波吸波层.通过仿真和样品测试，该吸波层的10dB吸波率带宽覆盖整个S频段并达到90%，而其厚度小于频段中心频点自由空间波长的1／7.

Floquet定律；周期结构；吸波层；领结型贴片

引 言

雷达吸波材料一直是世界各国研究的热点，在军用方面，通过减小军事单元的雷达散射截面可减小对方雷达的侦测范围（距离），增加己方进攻的突然性，减小军事单元被发现被消灭的概率.民用方面则可以减小天线阵单元的耦合，增加天线单元的稳定性和可靠性［1－2］.一般而言，好的雷达吸波材料要求频带宽、剖面薄、机械强度高、吸波效率好.为此国际学者展开了大量的相关工作，根据各自需求设计出各种形式的吸波层.Enghetan于2002年首次提出用人工超材料（Metamaterial）设计超薄宽带吸收材料的思想［3］，并得到了广泛的关注［4－5］，新加坡南洋理工大学沈忠祥教授［6－8］领导的小组研制了频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）及其衍生结构的吸波层设计，10dB带宽大致在80%左右.这类结构基于印刷电路板，结构紧凑、机械强度强、加工制作容易，相比于早期的Salisbury和Janmann吸波层，这类结构具有更宽的带宽和更薄的剖面.2008年，Landy等提出了一种基于周期性谐振单元的“完美吸波体”［9］，峰值处吸收率几乎达到100%，引起了研究人员的极大兴趣，随后多种吸波体被提出［10－12］，大多由具有一定图案的金属薄膜与介质基片形成电磁谐振器构成，具有厚度薄、吸收能力强的特点，但是通常吸收频带较窄.其原因在于，呈现谐振特性的周期单元一般Q值较高，对频率变化比较敏感.

本文从Floquet定律［1］出发，对周期单元大小从理论上定性分析，认为减小单元尺寸可以将高阶模转换为倏逝波模式，抑制高阶模空间传播，使其能量无法被周期结构反射；在此基础上设计了多谐振结构的高阻表面［10］、结合集总器件（贴片电阻），利用软件优化完成单元各参数的设计，并构建了单元的等效电路模型.最后进行样品制作及测试，测试结果与仿真结果吻合较好，证实了设计方法的可行性.该结构具有剖面低，频带宽及吸波性能优良的特点.

1 周期结构单元尺寸理论分析

根据Floquet定律，当电磁波照射到周期结构时，其反射波和透射波都会分解成一系列的Floquet模，假设入射波的传播矢量为

周期结构位于z＝0平面，则其反射波的波矢量分量可以描述为：

式中：Dx和Dy分别是周期单元的尺寸；（nx，ny）为对应的Floquet模参数.

分析式（2）和（3）可知，周期结构的几何尺寸减小时，随着Floquet模参数的增加，反射波波数k′x、k′y将随之增加，即有可能导致式（4）中根号内部出现负值，使得反射波的高阶模在z方向的传播成为消逝波.当周期尺寸（Dx，Dy）足够小时，反射波模式中仅（0，0）模即主模能够沿z方向传播，而其他模式均成为周期结构表面消逝波，从而可利用结构减少部分反射波能量.因而选择较小的周期单元尺寸可提高吸波层的吸收效率.

2 宽带吸波层设计方法

从上述分析可知，设计过程中限制周期单元尺寸的大小，有利于制作优良的微波吸波屏.即使这样，仍面临以下几个方面的考虑：

1）贴片形状的设计和选择.周期尺寸的减小导致设计难度增加，理由是：吸波屏的设计必须保证贴片表面形成高阻表面，而高阻特性的建立要求单元内部出现与特定频率谐振的金属贴片.周期单元尺寸的限制导致无法保证金属贴片长度，设计过程中必然面临类似天线小型化的问题.在此，采用一种较为简单的克服长度不足的方法，即采用传统天线的去顶方法，该方法在天线工程中又称为容性加载，如图1和图2所示.

图1 原始贴片

图2 容性加载贴片

2）宽频带贴片特性.从图2可以看出，通过容性加载，可以让电流沿着贴片的水平两臂流过，从而增加了贴片上感应电流的行进路径，可有效降低其谐振频率.当考虑宽频带设计时，为保证不同波长的电磁波与单元结构进行谐振，故需设计对应波长的电流流经路径.采用宽频带天线［13－14］设计思路，将Bowtie型贴片设计引入设计中，结构示意图如图3所示.由于Bowtie锥形结构，贴片中心点到横向贴片终端，可提供不同长度的电流路径，保证不同波长电磁波的谐振，从而保证了结构的宽频带谐振特性.

3）多谐振单元设计.思路2）的目的是在某个谐振频点处拓宽带宽，这对于设计超宽带吸波屏尚显不足.为进一步展宽带宽，采用多谐振特性的频率选择表面.其设计思路借鉴了分形天线和分形频率选择表面的思路，在一个周期单元内设置不同大小但形状相似的贴片结构，由于不同的贴片长度对应不同谐振频率，按照这一理论，图4所示的结构应该具有2个谐振频率.

图3 领结型贴片

图4 多谐振领结型贴片

4）吸波材料的选择.电磁波照射频率选择表面或者高阻表面，由于这些结构的构成为金属贴片、介质基片等，不含有损耗器件.电磁波照射至该结构时，其反射系数的大小必定为1.而吸波屏的设计是尽可能减小反射系数，因而在设计过程中必须使用电阻器或者阻抗涂层.考虑到阻抗涂层的加工难，成本及机械性能，采用集总器件即电阻器来替代Salisbury和Jaumann吸波层中出现的阻抗涂层.即将完整的领结的中间洗出1mm大小的缺口，并通过电阻进行连接.利用这一电阻来吸收流经贴片上的电流及其附带电磁能量，其结构如图5所示.图5中左边大贴片记为1，右边小贴片记为2.为后续描述的方便及图形的可读性，在图中仅仅对贴片1的尺寸变量进行了详细标注，贴片2的尺寸变量仅仅是将贴片1的下标中1改为2即可，后文不再赘述.

3 模型等效电路及其分析

以下将利用等效电路对上述模型进行定性理论分析.设电磁波垂直入射到吸波结构，电场极化方向为x，磁场极化方向为－y.利用金属贴片表面的边界条件，可以判断金属贴片上的电流方向为x，电流从贴片的一端经电阻流至另外一端.通过以上分析，可以将上述吸波机理转换为图6中的等效电路.

图5 以电阻相连的多谐振领结型贴片

图6 领结型吸波屏等效电路

基片部分、贴片1、贴片2和自由空间的对应部分如图6所示，其中贴片部分的电感效应改换为可变电感是考虑到领结型贴片的宽带作用.由于贴片1与贴片2间距较小，当受到电磁波照射时，贴片上感应出的电流存在一定的干扰（耦合）效应，其作用可通过耦合电容Cp体现.如介质基片表面为高阻表面，即Yin2→0，根据上述电路图，可得出相应的反射系数计算表达式：

式中：

当谐振角频率电磁波入射时，其对应的贴片呈现纯电导特性，这样可以有效减少输入导纳的虚部，从而可能使得反射系数降低到某一数值.由于该结构存在两个谐振频率，对结构各个参数进行优化，调整并使得谐振频率之间的频段的反射系数曲线降低到满足的阈值，则可设计出较宽频带的吸波层.

4 设计方法验证及样品实验

在初始原理模型设计图基础上，本文利用HFSS软件对所设计的结构尺寸进行了优化.采用Taconic公司介质基片，其介电常数为3.2，基片厚度h＝12.7mm，优化后的各参数为：

随后制作的样品大小为5×6的周期单元，长宽分别为225mm和126mm，如图7所示.

图7 样品实物照片

在随后的实验中，对225mm×126mm的铜板与样品进行雷达散射截面积（Radar Cross－Section，RCS）测试，经数据处理得到两者的单站RCS测量结果，如图8所示.

图8 样品及等面积铜板单站RCS测量结果

利用图8测量结果，可得到吸波层的吸收率，将其与理论仿真结果进行对比，结果如图9所示.

由图9可以看到：本文所设计的微波吸波层10 dB吸收带宽从1.71GHz到4.48GHz，覆盖整个S波段，中心频点为3.1GHz，相对带宽为90%；介质基片厚度为12.7mm，小于中心频点自由空间波长1／7，证实了本文提出吸波层的合理性及优越性.同时可注意到，测量结果与理论结果相比，两者的谐振点及谐振峰值有一定的偏差，这是由于被测样品尺寸为有限大小目标，样品边缘存在一定感应电流，其辐射场对测试结果造成影响所致.

图9 RCS缩减对比结果

5 结 论

本文从Floquet定理出发，得出周期单元尺寸减小有利于设计吸波层的结论，并将宽带天线设计方法引入到吸波层设计，完成了领结型宽带多谐振高阻表面的设计，并以此为基础研制了S频段宽带超薄型微波吸波层.仿真和测试结果表明，该结构10dB吸收带宽从1.71GHz至4.48GHz，相对带宽达到90%，而其厚度仅只有中心频点对应波长的1／7，验证了本文所提出方法的正确性和合理性.

［1］ MUNK B A.Frequency Selective Surface：Theory and Design［M］.New York：John Wiley，2000.

［2］ 李有权，张光甫，袁乃昌.基于AMC的吸波材料及其在微带天线中的应用［J］.电波科学学报，2010，25（2）：353－357.

LI Youquan，ZHANG Guangfu，YUAN Naichang.Ultra－thin absorber based on the AMC structure and its application to the microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（2）：353－357.（in Chinese）

［3］ ENGHETA N.Thin absorbing screen using metamaterial surfaces［C］／／IEE AP－S Int Symp.San Antonio，2002，2：392－295.

［4］ MUNK B A，PRYOR J.On designing Jaumann andcircuit analog absorbers（CA Absorbers）for oblique angle of incidence［J］.IEEE Trans Antennas Propagat，2007，55（1）：186－193.

［5］ 刘红英，孙 维，冯一军，等.利用频率选择表面改善微波吸波材料S波段的吸波性能［J］.微波学报，2006，22（3）：10－13.

LIU Hongying，SUN Wei，FENG Yijun，et al.Improving the S－band performance of the microwave absorbing material utilizing frequency selective surface［J］.Journal of Microwaves，2006，22（3）：10－13.

［6］ ZHENG B Y，SHEN Z X.Wideband radar absorbing material combining high－impedance transmission line and circuit analogue screen［J］.Electron Lett，2008，44（4）：318－319.

［7］ TANG W，SHEN Z X，Simple design of thin and wideband circuit analogue absorber［J］.Electron Lett，2007，43（12）：689－691.

［8］ YANG J，SHEN Z X.thin and broadband absorber using double－square loops［J］.EEE Antennas Wirel Propag Lett，2007，6：388－391.

［9］ LANDY N I，SAJUYIGBE S，MOCK J J，et al.A perfect metamaterial absorber［J］.Phys Rev Lett，2008，100：207404.

［10］ 徐 欧，朱 敏，徐金平，等.双层方环可电控FSS吸波屏设计和实验研究［J］.电波科学学报，2009，24（5）：837－844.

XU Ou，ZHU Min，XU Jiping，et al.Design and measurement of active absorber using the double layer square loop FSS［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：837－844.

［11］ 刘 涛，曹祥玉，高 军，等.超材料吸波体设计及雷达散射截面分析［J］.电波科学学报，2012，27（6）：1219－1224.

LIU Tao，CAO Xiangyu，GAO Jun，et al.Design of metamaterial absorber and its characteristics of RCS［J］.Chinese Journal of Radio Science，2012，27（6）：1219－1224.（in Chinese）

［12］ 王 莹，程用志，聂 彦，等.基于集总器件的低频宽带超材料吸波体设计和实验研究［J］.物理学报，2013，62（7）：074101.

WANG Yin，CENG Yongzhi，NIE Yan，et al.Design and experiments of low－frequency broadband metamaterial absorber based on lumped elements［J］.Acta Phys Sin，2013，62（7）：074101.（in Chinese）

［13］ BALANIS C A.Antenna Theory：Analysis and Design［M］.3rd ed.John Wiley ＆Sons，2005.

［14］ ELDEK A A，ELSHERBENI A Z，SMITH C E.Wideband microstrip－fed printed bow－tie antenna for phased－array systems［J］.Microw Opt Technol Lett，2004，43（2）：123－126.

Design and experimental research of the S－band absorber screen based on the bow－tie patch

TANG Wei WU Feifei LIU Yujie
（School of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen Fujian 361021，China）

This paper presents a novel wideband absorber screen in S－Band based on the bow－tie patch periodical array.From the Floquent’s theorem，the reflection and transmission wave is composed of a series of Floquet mode as the electromagnetic wave incident upon a periodical structure.The higher Floquet mode will be evanescent wave with the decreasing of the unit cell size，which is benefit for the absorber designing.However，the decrement of the size limits the length the patch in the unit cell，and it could not resonant at a lower frequency.This paper adopts a bow－tie structure in the antenna theory and design a wideband and thin absorber screen.The geometric sizes of the cell are determinate after the optimization by HFSS software.The measurement results exhibit this screen has a wideband covering S－band and over 90%for 10dB absorption and its depth is about 1／7wavelength of centre frequency in free space.

Floquet theorem；periodical array；absorber screen；bow－tie patch

TN01

A

1005－0388（2015）02－0323－05

汤 炜（1974－），男，湖北人，华侨大学副教授，博士，研究方向为吸波材料、天线理论与工程等.

武菲菲（1990－），女，江苏人，博士研究生，研究方向为吸波材料、高性天线设计等.

刘禹杰（1989－），男，广西人，华侨大学讲师，博士，研究方向为超材料结构、阵列天线等.

汤 炜，武菲菲，刘禹杰.S频段领结型贴片吸波层的设计与实验研究［J］.电波科学学报，2015，30（2）：323－327.

10.13443／j.cjors.2014042302

TANG Wei，WU Feifei，LIU Yujie.Design and experimental research of the S－band absorber screen based on the bow－tie patch［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：323－327.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014042302

2014－04－23

福建省自然科学基金（批准号：2011j01351）；中央高校财政扶持项目（批准号：2011ZD01G01）；华侨大学基金（批准号：08BS411）

联系人：汤炜E－mail：tangwei74＠hqu.edu.cn