电路模拟吸波材料

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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2～1 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。
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。
3 频率选择表面（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。
2 吸波机理

电磁场的传输理论，对于单层吸波结构有：
jZ s Z tan( d ) Zin Z s 其中Z为电阻层阻抗， 为传播 常数。涂层表面振幅反射率 可用下式计算：

Z in Z 0 Z in Z 0

其中Z0为自由空间的波阻抗，所以有上面公式可得 当 Zin Z0 时，反射系数为0。所以符合阻抗匹配的条 件。
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

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
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。
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，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

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，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）
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
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

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 分别达到-8、-1 0、-l 2、-25dB。
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8～18GHz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。
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。
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。
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)


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，而对材料的吸收率影响不明显。