一种具有双吸收带的频率选择特性吸波器

尹丽媛，薛正辉，金 城，任 武，李伟明，张彬超，吕奇皓

(北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081)

0 引言

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)作为空间电磁波滤波器，在雷达和通信系统中有着广泛的应用[1-5]。电磁波吸收器是基于其对电磁波的反射或透射的滤波功能实现无线通信、传感器及辐射防护等领域的各种应用价值，例如抵消复杂环境电磁干扰和飞行器隐身功能等方面。大部分电磁波吸收器的设计指标及应用要求涉及大带宽、低剖面和角度不敏感等特性，另外，还会要求雷达截面积(Radar Cross Section，RCS)缩减达到10 dB以上[6-7]。因此，传统的电磁波吸收器，如Salisbury结构和Dallenbach结构可能无法满足上述需求。

为此，新型电磁波吸收器成为研究的热门方向，目前存在的电磁波吸收器的设计大致可以分为2大类：一类是级联2层具有吸收性和透射性的二维FSS结构[9]，另一类是三维FSS结构，通常使用平行板结构组成，具有吸收和投射特性的功能，通过调整结构空间位置、物理尺寸以及加载有源器件等方式实现所需吸波器的性能[10]。二维FSS结构优势在于具有较低的剖面，然而存在带宽较窄、插入损耗较大以及大角度入射响应不稳定性等缺点。三维FSS结构加工较复杂，但其优越的宽带性能、低插入损耗以及斜入射不敏感性都大大拓宽了三维FSS结构的应用范围[11-14]。近年来，很多论文对三维的电磁波吸波结构进行了研究，在文献[15]中采用了大量的集中元件用来设计频率选择吸波器，在得到单独的吸收带的同时给加工带来较高的花费，并且还设计了另一种吸波器，通过加入有损和无损的谐振器实现了一个传输窗口和2个吸收带，然而吸收带只有一个反射零点，因此带宽相对较小。文献[16]设计了一款AFST，该设计无需集总元件，而且可以实现所需要的较宽的吸收带宽，然而结构设计较为复杂，对加工技术要求很高，实现较为复杂。对于二维FSS结构，文献[17]提出的吸波器具有双吸收带，而且利用具有双极化特征的平行腔的二维周期阵列设计，然而其剖面较高。

因此，为了充分利用电磁波吸收器的滤波特性，拓宽其应用范围，有必要开发一种新的电磁波吸收器结构，实现宽带吸波、低插入损耗以及斜入射鲁棒性，并且尽可能地保持电磁波吸收器结构的低剖面。

本文提出了一种双吸收带的三维吸收性的频率选择传输(AFST)结构，该结构采用平行板波导(PPW)和嵌入片式电阻器的弯曲金属条实现。在2段双吸收带中间实现较低插入损耗的传输性能，同时具有入射角度不敏感特性，其结构无接地设计，便于实际测试。下面给出结构的等效电路以解释本文的设计原理，仿真用于验证其原理的有效性和所提出的结构的吸收-传输-吸收特性。

1 工作原理

提出的AFST单元结构如图1所示，图1(a)是三维视角图，图1(b)是对结构延Z轴进行剖分的侧视图。

(a) 三维视角图

由图1可以看出，单元的周期为P，沿着x轴和y轴的高度为H，由2层结构分别作为吸波和传输电磁波的功能实现。吸波层由4个嵌入电阻片的“门”字型金属条贴在内层介质层组成，其中，金属条的长度为Ls=2×l1+l2，宽度为w，内层介质层的厚度为t1，介电常数为εr1，电阻器阻值设置为500 Ω。传输层由平行板波导组成贴在外层介质板的内侧，平行板有2个长度分别为ls1和ls2的缝隙。外层介质板的厚度为t2，介电常数为εr2。结构的几何参数如下：H=18 mm，P=7 mm，l2=4.3 mm，t1=0.5 mm，εr1=4.4，w=0.38 mm，t2=1 mm，εr2=2.2，ws=1 mm，ls1=9 mm，ls2=6 mm。

为了分析提出的结构的设计思路，给出其等效电路，如图2所示。该等效电路可看作由吸收层和传输层2个网络级联而成。在该电路中，嵌入电阻器的“门”字型金属条和平行板波导结构分别使结构产生吸波和传输电磁波的特性。具体来说，弯折的金属条可以等效为一个断开的传输线，Zs,θs表示其特征阻抗和电长度。输入阻抗Zin_s随着频率的变化而变化，当电长度等于λ/4(θs=π/2)和3λ/4(θs=3π/2)时，Zin_s为0；当电长度等于λ/2(θs=π)时，Zin_s无限大，相当于开路[18]。L1,C1和L2,C2为等效平行板波导结构的2个缝隙等效的电感和电容，可根据文献[19]计算得出。该等效电路的具体参数如下：L1=14.44 nH，C1=0.042 pF，L2=3.3 nH，C2=0.306 pF，R=500 Ω，Z0=377 Ω。

图2 等效电路

传输路径的传输线部分的特征阻抗为Z2，电长度为θ2，其值可以通过物理尺寸计算得到[19]。另外，C3表示平行板波导结构和空气的间隔所产生的等效电容，即：

(1)

通过对上述等效电路分析，得到由2个子网络级联而成的传输矩阵：

(2)

(3)

式中，YFSS为损耗结构部分的导纳，可以由式(4)计算得到：

(4)

因此，整个等效电路的阻抗为：

Z=ZⅠ+ZⅡ，

(5)

S参数可以由上述公式联合求出。

2 仿真验证

由Advanced Design System(ADS)计算和ANSYS HFSS的周期性边界条件下得到的仿真S参数曲线对比如图3所示。

图3 设计的AFST的等效电路(ADS)和HFSS仿真得到的S参数对比

该S参数给出了提出的AFST结构的传输和吸收特性。从图3中可以看到，S11在4～9 GHz的频段内都低于-10 dB，且在4.2～8.26 GHz 的频段内出现了一个传输极点和4个反射零点。这些传输极点和反射零点，分别构成了一个传输通带和2个吸收带。因此，AFST结构可实现双吸收带分布在传输通带高低频两侧的特性。具体来说，可以从图3中看到ft为传输极点，在其附近形成了一个传输通带，4个fai(i=1,2,3,4)反射零点构成2个宽吸收带，即fa1和fa2构成低频吸收带，fa3和fa4构成高频吸收带，分别位于传输通带的两侧。

结合等效电路分析，当电磁波照射在AFST结构上时，2个平行电路L1,C1和L2,C2在fa2和fa3处谐振，得到一个位于中间的传输通带；当弯折金属条等效的电长度等于λ/4(θs=π/2) 和 3λ/4(θs=3π/2)时，AFST结构分别产生了另外2个反射零点fa1和fa4，从而达到了展宽吸收带带宽的作用。

从图3中可以看到，ADS和HFSS的仿真结果具有很高的一致性，说明提出的等效电路模型是有效的。同时，从仿真结果可以看到，AFST结构的工作频段在4.2～8.15 GHz，其中，通带插入损耗在-3 dB以内的为5.2～5.75 GHz，相对带宽为10.05%。2个吸收带位于传输带的高低频两侧，分别为4.2～5.2 GHz和5.75～8.26 GHz，由于4个反射零点的存在，使得2个吸收带达到了较宽的带宽，其相对带宽分别为21.28%和35.83%。整个工作频段内，S11都低于-10 dB。

为了考察本结构对电磁波斜入射的敏感性，针对提出的AFST对不同的入射角度(0°～40°)的变化进行了仿真，其结果如图4所示。可以看出，在入射角40°以内，其S参数响应都可以保持较好的稳定性，说明设计的AFST结构对斜入射具有较好的鲁棒性。

图4 在不同入射角度的S参数仿真结果

3 设计流程

为了实现双吸收带位于通带两侧的特性，将通带和吸收带的结构分开设计。首先通带路径,也就是传输层,是由贴在外层介质板的内侧金属贴片与相邻周期性单元的该结构组成的平行板波导结构形成，金属贴片设计有2个长度不同、宽度相同的缝隙，主要为了实现通带的调节功能。

吸收带的实现是通过嵌有电阻器的弯折的“门”字型金属条吸收电磁波。弯折的金属条可以等效为一个断开的传输线，输入阻抗Zin_s随着频率的变化而变化，当等效的电长度为不同的值时，其等效的输入阻抗也会呈现不同的值。具体来说，当电长度等于λ/4(θs=π/2) 和 3λ/4(θs=3π/2),Zin_s为0，相当于短路；当电长度等于λ/2(θs=π)时，Zin_s无限大，相当于开路[18]。由此，当电磁波照射在AFST结构上，当Zin_s为0时，电磁波通过电阻R，使得电磁波被电阻消耗从而达到吸收电磁波的功能；当Zin_s无限大时，由于此时相当于短路，电磁波无法通过吸波路径，从而从通带路径穿过，达到了传输电磁波的特性。

通过分别设计传输和吸收路径的结构,最后可以得到一个中间传输通带、两侧吸收带特性的AFST结构。同时，该结构具有斜入射稳定性，即在斜入射角度不高于40°时，其S参数响应曲线变化较小，说明本文所设计的AFST结构具有入射角度稳定的特性。

4 结束语

本文提出了一种新的AFST结构，它具有2个位于宽通带两侧的宽吸收带。其通过对平行板波导结构进行开缝处理得到传输带，对“门”字型的弯折金属带嵌入电阻器实现双吸收带，通过对其等效电路的分析验证了设计理论，同时给出了AFST结构的设计流程。经过ADS和HFSS仿真验证了所提出的等效电路模型的有效性，以及设计AFST结构具有双吸收带和中间通带的特性，同时具有入射角度不敏感特性。本文所设计结构具有中心对称特性，因此后续研究可能会围绕极化特性进行，同时对结构进行加工测试，验证本文的理论设计原理。