薄型宽频带复合吸波结构设计

房新蕊 张文武 张清 房亮 张东亮

（中国航空工业集团公司济南特种结构研究所，高性能电磁窗航空科技重点实验室 山东省济南市 250023）

随着多层次、全方位、宽谱带的立体电磁探测技术的发展，基于传统电磁吸波材料和外形设计的电磁波隐身技术已经难以应对将来对武器装备的全方位隐身性能的需求，超宽带雷达、米波雷达的发展对雷达吸波材料也提出了低频、宽带等要求。

电磁带隙结构(Electromagnetic Band-gap, EBG)是一种具有频率带隙的新型周期电磁结构，因其同时具有表面波带隙特性和平面波同相反射特性，已经在微波领域得到广泛的研究与应用[1-4]。

传统吸波材料通常基于 Salisbury 屏原理设计，将损耗层放置在距离金属表面 1/4 波长处，有效地吸收入射电磁波[5-8]。如果底板为理想磁导体（Perfect magnetic conductor, PMC），就不再有 1/4 波长厚度的限制，损耗层可以放在离底板很近的位置，实现超薄吸波结构。基于此，本文设计了电阻膜-EBG 复合吸波结构，并采用有限元算法分别对这种结构的吸波特性进行了数值仿真分析。

1 吸波材料衰减机理

入射电磁波从自由空间照射在材料上，依据Maxwell 方程及边界条件可知，当电磁波垂直入射时，材料界面的复反射系数为：

图1：复合吸波结构仿真示意图

由此可见，要获得性能优良的吸波材料，必须综合考虑阻抗匹配和衰减匹配2 种因素，尤其是材料的介电常数、磁导率和厚度参数等。

2 数值仿真分析

将集总电阻加载型EBG 吸波结构与电阻膜进行组合匹配，设计了如图1 所示的复合吸波结构。该复合吸波结构包括基于电阻膜的面层结构和介质层、基于EBG 结构的超薄介质层及其金属衬底。

如图2 和图3 所示，对该结构中的电阻膜和EBG 单元参数进行优化设计，几何参数为p=7.3mm，a1=0.81mm，方阻R1=500～800Ω/□；a2=1.72m，方阻R2=340～600Ω/□；a3=3.55mm，方 阻R3=150～300Ω/ □，h1=3.4mm，h2=2.5mm，h3=2.4mm，L=7.3mm；d1=1.23mm，g1=4.02mm；d2=3.46mm，g2=1.26mm，t1=3.45mm，t2=2.55mm。其中，金属材料为厚度0.018mm、电导率为5.8×107S/m 的铜；中间层为介电常数为2.2、损耗角正切为0.05的介质板。

仿真结果如图4 和图5 所示，复合吸波结构在1GHz -4GHz 平均反射率为-8.8dB，在4GHz -16GHz 平均反射率为-11.3dB，且该结构具有较好的角度和极化稳定性。

3 结论

基于多层电阻膜与EBG 设计了一种电阻膜-EBG 的复合吸波结构，通过有限元算法分别对其吸波特性进行了数值仿真。仿真结果表明：该复合吸波结构，厚度为14.3mm，在1GHz-4GHz 平均反射率为-8.8dB，4GHz-16GHz 平均反射率为-11.3dB，且宽频范围内具有较好的角域特性。

通过复合结构的匹配设计，可以实现较宽频带范围的阻抗匹配，在兼顾极化无关、宽入射角和宽频带的前提下，实现了厚度较薄且强损耗的吸收特性。

图2：电阻膜单元尺寸结构图

图3：EBG 单元尺寸示意图

图4：S11 仿真曲线（垂直极化）

图5：S11 仿真曲线（水平极化）