基于阻抗加载的吸波体设计与性能分析

易 波，陆奇敏，何 靓

(解放军78118部队，四川 成都 61000)

0 引 言

舰船、导弹、飞机等战斗单元在战场上有着举足轻重的作用，减小它们的雷达散射截面积(RCS)有助于提升其在战场上的突防和生存能力[1]。结构隐身和吸波隐身是缩减RCS的两种有效途径[2]。结构隐身原理是将雷达探测波反射到非入射方向，但随着多基雷达的出现，结构隐身效果大打折扣。吸波隐身原理是将雷达探测波吸收，并转化为其他形式的能量(如热能)。理想吸波体的工作特性如图1所示，通带内的电磁信号能够无损耗穿透吸波体，保证与外界正常通信的需求；通带外的电磁信号则被吸收，缩减了RCS[3]。

图1 理想吸波体工作特性

超材料吸波体因其剖面薄、重量轻、易调节、吸波带宽宽等特征吸引了广大学者的目光[4]。本文在分析具有传输通带吸波体电路原理基础之上，设计了一款具有传输通带的吸波体，并利用喇叭天线验证了其传输与吸波特性。

1 具有传输通带吸波体的等效电路分析

具有传输通带的吸波体通常由3层结构组成：阻抗层、介质基板层以及带通层[5]。阻抗层由具有阻抗特性的薄膜或者电阻加载周期结构构成，等效电路为电阻R、电感L和电容C串联；介质基板等效电路为特性阻抗ZC一段电路；带通层等效电路为电感L和电容C并联电路。将3层结构等效电路串联，可得具有传输通带的吸波体的等效电路如图2所示[6]。

图2 具有传输通带的吸波体等效电路图

吸波体的传输矩阵可以用3层结构的传输矩阵相乘得到：

(1)

式中：Mr表示阻抗层传输矩阵；Mt表示介质基板传输矩阵；Mp表示带通层传输矩阵。

当介质基板介电常数近似等于空气时，分析传输矩阵公式可得：增加阻抗层频率选择表面(FSS)谐振频率与传输通带中心频率之间的距离，可提升传输通带传输效率[7]。

2 具有传输通带吸波体设计

本文所设计的具有传输通带的吸波体结构如图3所示。带通层采用小型化结构设计，目的是增加阻抗层谐振频率与带通层谐振频率之间的距离，提升通带传输效率。加载电阻主要用于阻抗匹配和吸收电磁波[8]。阻抗层和带通层通过低介电常数与低损耗正切的PMI泡沫相连，PMI泡沫具有支撑与阻抗变换作用。所设计的具有传输通带吸波体结构参数如表1所示。

图3 具有传输通带的吸波体结构示意图

按表1给出的结构数据，在CST电磁仿真软件建立单元仿真模型，边界设置为unit cell，求解器选择频域求解器，仿真中使用介电常数为1.17、损耗正切为0.000 3@10 GHz的介质替代PMI泡沫，仿真得到的传输和反射系数如图4所示。

表1 传输通带吸波体结构参数表(mm)

图4 具有传输通带吸波体传输和反射系数

从图4可以看出，在1.87 GHz处具有传输通带，插损小于0.5 dB，吸波带(传输系数和反射系数小于-10 dB)为9.1 GHz到20 GHz以上。

吸波带性能主要决定于介质层厚度、阻抗加载层谐振频率等多个因素[9]。图5给出了吸波体在不同介质层厚度所对应的传输和反射系数，从图5可以看出，介质层越厚，反射系数下降越快，即吸波带出现在更低频率，但是吸波带带宽也随之变窄。

图5 不同介质层厚度对应传输和反射系数

图6给出了吸波体不同外环尺寸所对应的传输和反射系数。从图6可以看出，外环尺寸越大，谐振频率越低，吸波体起始位置越向下偏移，但吸波带带宽也会越小。

图6 不同外环尺寸对应传输与反射系数

对带通层结构的传输特性进行仿真，得到的结果如图7所示。对比图4～图7可以发现，吸波体通带特性与传输系数起伏形状主要由带通层决定。因此，当需要改变传输通带频率与传输系数起伏时，仅需改变传输层结构即可。

图7 带通层结构传输系数

3 RCS缩减特性分析

选择喇叭天线作为研究对象，利用CST对吸波体的吸波特性进行仿真。仿真结构如图8所示，入射波的入射角度为45°。对比加载吸波体前后RCS变化(如图9所示)，验证吸波体的吸波特性。

图8 吸波体在CST中仿真结构

图9 吸波体在不同频率下的缩减特性

图9仿真结果表明，加载吸波体的喇叭天线在电磁波辐照下，散射波明显降低，特别是入射场方向回波，表明所设计吸波体具有较好的吸波特性，能够达到RCS缩减效果。

图10展示了通带内电磁波入射时，电磁波反射和入射情况。从图10可看出，通带内信号基本穿透吸波体，被喇叭天线所接收，即吸波体对通带内信号的影响较小。

图10 通带信号入射时加载吸波体的喇叭天线RCS特性

4 结 论

本文针对重要武器平台RCS缩减与正常通信需求，设计了一款阻抗加载的吸波体。所设计吸波体保留了与外界通信窗口(1.87 GHz)，同时具有宽吸波带(9.1～20 GHz)。随着吸波体结构的不断完善，新应用不断开发，该类吸波体将具有广泛的应用前景。