一款具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料

摘 要：简单阐述电路模拟吸波材料的吸波原理，提出使用CST电磁仿真软件，通过电抗加载的方式对有源电路模拟吸波材料进行分析的方法。设计一款具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料，并使用该方法对其进行分析。仿真结果表明这款吸波材料具有良好的双频吸波特性，通过改变两个方环的加载电阻（即改变PIN管的偏置电流），可改变吸波材料的吸波频率。

关键词：吸波源理；电路模拟吸波材料；电抗加载；频率选择表面；反射系数

中图分类号：TN11文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)2000703

Active Circuit Analogy Absorber Using Double-square-loop FSS

KOU Songjiang1，XU Jinping2

(1.The 96251 Unit of PLA,Luoyang,471003,China;2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Southeast University,Nanjing,210096,China)

Abstract：A brief description of the theory of circuit analogy absorbers is presented.A new analysis way is proposed that CA absorbers can be analyzed using CST simulators with the method of reactive loading.A new active CA absorber with array of double square loops is designed,which is studied by the forementioned analysis way.The numeric results show that the absorber has superior performance of absorbing electromagnetic wave at two frequency bands and the reflectivity frequencies of the structure can be controlled when the loading resistances of the array of double square loops vary ,that is,when forward bias currents of PIN diodes vary.

Keywords：absorber principle;CA absorber;reactive loading;FSS;reflection coefficient

目前，武器平台上集成的电子装备越来越多，通信、控制、侦察等各种信号在较小的空间多次反射、互相干扰，导致电磁兼容性问题日益突出。频率选择表面（FSS）可结合武器装备的金属表面构成电路模拟吸波材料，当这种材料被应用武器平台表面时，可较好地改善武器平台的电磁环境。而使用有源FSS则可构成电可控的电路模拟吸波材料。

1 电路模拟吸波材料的吸波原理

1.1 吸波材料的吸波原理

当电磁波在空气中传播遇到媒质时，由于媒质的阻抗与自由空间的阻抗不匹配，电磁波在空气与媒质界面发生反射和透射。当透射波进入媒质内部后，可通过吸收、散射、干涉等多种手段，将电磁波转换成其他形式的能量，衰耗在媒质内部，从而使材料表面的电磁波反射大大减小［1］。因此，吸波体与空气媒质的阻抗是否匹配对吸波材料的吸波特性具有重要影响。

如图1所示单层吸波结构 ，当电磁波垂直入射时，其输入阻抗为：

Zin=jZsZtan(βd)Zs+jZtan(βd)(1)

其中：Z为电阻层阻抗；Zs为介质的特征阻抗；β为电磁波传输系数。相应的反射系数为：

ρ=Zin－Z0Zin+Z0(2)

其中，Z0为自由空间的波阻抗。由式(2)可知，当Zin=Z0时，反射系数为0，此时电磁波完全进入吸波材料内部，无电磁波反射，此即阻抗匹配条件［2］。由式(1)可知，可以通过调节电阻层阻抗、介质的电磁参数以及介质厚度来改变输入阻抗从而实现阻抗匹配，而其中最容易调节的是电阻层的阻抗，目前广泛采用的也是这种阻抗匹配方式［3］。

图1吸波材料的吸波原理图

1.2 电路模拟吸波材料

使用由有耗材料构成的FSS结构作为电阻片，可与金属背板一起构成电路模拟吸波材料［4］，如图2(a)所示。此时，电阻片中不仅包含电阻成分，而且还包含电抗成分。FSS的等效电路如图2(b)所示，它是一个RLC串联等效电路。电阻R是因为FSS是有耗材料的原因。

图2 电路模拟吸波材料的结构及电阻片的等效电路

1.3 有源电路模拟吸波材料

前文所述的吸波材料是无源结构，其吸波特性不能随环境而变。如果吸波结构中的R可电控，则可构成电可控的吸波材料。一种方法是在吸波结构中插入可电控的有源FSS，通过调整FSS的R参数来调节吸波材料与自由空间的阻抗匹配，从而达到控制吸波体吸波特性的目的［2，5］。向FSS中插入PIN管可构成有源FSS，有源FSS中的R分量可通过对PIN管馈以小的正偏电流来获得［6］。当PIN管的正偏电流在1 mA以下时，PIN管总电阻约为十几欧姆至几百欧姆，且正偏电流越大，电阻值越小。但在高频条件下，PIN管电阻值会有所减小。

图3所示为PIN管BAP50-02的正偏电流与电阻值的关系。正偏电流与电阻值的这种对应关系表明：偏置电流对FSS的影响可通过对FSS进行电抗加载来等效。

图3 BAP50-02的正偏电流与电阻值的关系

2 有源电路模拟吸波材料的数值分析

在对有源电路模拟吸波材料的数值分析中，本文使用CST电磁仿真软件，采用电抗加载的方法进行，计算结果可为电路模拟吸波材料的研究提供依据。

2.1 算例对比（具有蝶型结构的有源电路模拟吸波材料的分析）

A.Tennant和B.Chambers对有源电路模拟吸波材料进行了研究［2,5］。其实验模型是基于Salisbury屏的平板结构，只是使用有源FSS代替Salisbury屏中传统的电阻层。有源FSS单元采用如图4所示的蝶型贴片型偶极子，在FSS单元中加入PIN管，通过调节PIN管的偏置电流来控制FSS中的R分量。实验结果表明，这款吸波结构的反射系数在9~13 GHz的频带内可调，反射系数曲线如图5所示。

图4 蝶型贴片型有源FSS结构

本文使用CST电磁仿真软件，采用电抗加载的方法对这款吸波材料进行分析，反射系数曲线如图6所示。由图可见，当R＝130 Ω时（对应于正偏电流＝0.1 mA），吸波材料的反射系数最小。随着R增加时（对应于电流减小），反射系数逐渐增大，直至R＝1 000 Ω时的全反射；当R减小时（对应于电流增加），其反射系数呈现双吸波峰特性并逐渐增大，直至R＝20 Ω时的全反射。经与图5对比可见：计算结果与实测数据一致，表明这种分析方法的可行性。

图5 具有蝶型偶极子结构的有源电路模拟吸波材料的反射系数（文献记载）

2.2 具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料的分析

本文设计了一款有源电路模拟吸波材料，它是基于Salisbury屏拓朴的平板结构，如图7所示。金属背板和FSS由介质1构成的隔离层隔开，介质板1的厚度t1＝4.5 mm，εr1＝1.05，损耗角正切tan δ＝0.001 7。FSS被印刷在介质板2上，介质2的介电常数εr2＝2.25，t2＝0.1 mm，它被“倒扣”在介质1上。外侧介质的作用一是固定、保护FSS，二是方便内方环有源器件的馈电。

图6 具有蝶型偶极子结构的有源电路模拟吸波材料的反射系数（本文计算）

图7 基于Salisbury屏拓扑的单层电路模拟吸波材料的结构

FSS单元采用双方环贴片型单元，如图8所示，其中l1＝9 mm，l2＝4 mm，贴片宽度为1 mm，Dx＝Dy＝10 mm，使用平面波激励，电场沿Y方向。在FSS单元中加入PIN管，加载方式如图8中所示。双方环FSS是一种典型的双谐振结构，具有一高一低2个谐振频率，因此，由双方环FSS构成的吸波结构将有2个吸波频率。本文使用CST电磁仿真软件，采用阻抗加载的方法对这款吸波结构进行分析。结果表明：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。

图8 圆环贴片型有源FSS的结构

在对两个方环使用相同的电阻加载时，小方环的吸波频率（反射系数在-20 dB以下）可在5.5~8 GHz变化。大方环的吸波频率可在17.6~20.9 GHz变化。偏置电流过大（R=20 Ω）或过小（R=1 500 Ω）时，该结构不再具有吸波特性。反射系数曲线如图9所示。

小方环的加载电阻不变（R=200 Ω），大方环的加载电阻改变，则对应于小方环的吸波频率在20 GHz处基本不变，对应于大方环的吸波频率可在5.56~9.04 GHz频段改变。反射系数曲线如图10所示。

图9 具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料的反射系数

图10具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料的反射系数（大环电阻改变）

大方环的加载电阻不变（R=150 Ω），小方环的加载电阻改变。则对应于大方环的吸波频率在6.07 GHz处基本不变，对应于小方环的吸波频率可在16.17~20.17 GHz频段变化。反射系数曲线如图11所示。

图11 具有双方环结构的有源电路模拟吸波材料的反射系数（小环电阻改变）

从以上分析可看出，适当改变两个方环的加载电阻（即改变PIN管的偏置电流），可改变吸波材料的吸波特性。

3 结 语

本文首先简单分析电路模拟吸波材料的吸波原理，然后，提出使用电磁仿真软件，通过电抗加载的方式对有源电路模拟吸波材料进行分析的方法。算例对比表明这种分析方法是可行的，其结果可为电路模拟吸波材料的研究提供依据。最后，设计了一款有源电路模拟吸波材料并对其进行分析，仿真结果表明这种吸波材料具有良好的多频吸波特性，并且适当改变两个方环的加载电阻（即改变PIN管的偏置电流）时，可改变吸波材料的吸波频率。

参考文献

［1］黄爱萍，冯则坤，聂建华，等.干涉型多层吸波材料研究［J］.材料导报，2003,17(4):21-24.

［2］Tennant A,Chambers B.Adaptive Radar Absorbing Structure with PIN Diode Controlled Active Frequency Selective surface ［J］.Smart Mater.Struct.,2004,(13):122-125.

［3］刘海韬,程海峰.频率选择表面(FSS)在雷达吸波材料中的应用及最新进展［J］.材料导报,2005,19(9):30-32.

［4］Munk B A.Frequency Selective Surfaces,Theory and Design［M］.New York:Wiley,2000.

［5］Tennant A,Chambers B.A Single-layer Tuneable Microwave Absorber Using an Active FSS［J］.IEEE Microwave and Wireless Components Lett.,2004,14(1):46-47.

［6］Dittrich K W,Wulbrand W.Radar Absorbing Structure with Integrated PIN Diode Network［C］.Proc.10th Eur.Electromagnetic Structures Conf.,2001:101-110.

［7］徐坤,尹文禄,隋立山,等.基于新型矩形同轴馈电网络的微带天线阵研究\.现代电子技术,2007，30(23):20-22,24.

作者简介 寇松江 男，1968年出生，工程师。1991年毕业于理工大学微波通信工程专业，2007年毕业于东南大学电磁场与微波技术专业，工学硕士。现从事电磁辐射与散射方面的研究工作。

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