超宽带宽入射角的电路模拟吸波材料机理与设计方法研究

【摘要】：雷达吸波材料能够在特定的工作频段内吸收一定比率的入射电磁波,是目前军事领域雷达散射截面缩减及隐身技术的主要实现方法。但同时,现代雷达探测技术的日益发展要求吸波材料不仅具有超宽带、大角度的工作特性,还需要兼备低剖面、双极化等。为了实现上述目标,本文以超宽带宽入射角的电路模拟吸波材料(Circuit Analog Absorber,CAA)为研究课题,主要研究宽频带条件下吸波材料的散射特性,建立等效分析模型并进行准确、高效的数学模型推导,提出利用多谐振、宽角阻抗匹配层方法分别提高工作带宽、吸波角度的设计方案和分析方法,表征结构的关键设计参数,最终研究形成该类吸波材料的设计、计算、优化、性能表征与试验方法。本文的主要研究内容概括安排如下:1.基于基本带隙频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS),提出了一种准确、高效的谐振FSS分析、设计方法。首先从没有介质基板,或者说空气基板的理想情况出发,发现带隙FSS的金属间隙会引起明显的电流不均匀性,违背传统等效电路数学模型的基本假设,并由此在传统等效电感、电容的数学计算模型中引入了有效宽度这一修正项,进一步通过全波仿真和参数拟合,得到修正之后的电感电容数学表达式。另一方面,考虑有电介质衬底的实际模型,发现介质基板的物理参数同样会对整体FSS频响结果产生巨大影响,因此在计算等效电感和电容时进一步引入有效相对介电常数这一新的修正项,并利用相同方法拟合得到最终的等效模型计算表达式。仿真、计算和测试结果表明,在特定的结构参数范围内,所得到的谐振频率以及宽频带的频率响应都具有很高的相似性,表明所提出的谐振FSS分析、设计方法不仅具有很高的准确性,也同样适用于更加复杂的谐振结构,为本文之后的吸波材料设计提供了准确、高效的等效电路数学模型。2.以前文提出的新型等效电路数学模型为基础,提出了一种低剖面、小单元尺寸的单层超宽带电路模拟吸波材料。首先分析提高CAA吸波带宽的两种主要方法的缺陷,发现使用单层多谐振单元存在尺寸参数制约及结构之间的相互耦合,影响整体吸波效果;多层结构会明显增大剖面高度。通过在介质基板的上下表面分别设计两个有耗方环单元,一方面在保证多谐振的同时消除了单元尺寸之间的相互制约,提高了参数自由度;另一方面采用了单层结构,从而在保证超宽带吸波的同时实现了低剖面和单元的小型化。计算、仿真和测试结果验证了设计方法的准确性。以此为基础,进一步利用等效电路模型从理论上分析了谐振回路个数对单层电路模拟吸波材料吸波性能的影响,确定了单层结构的吸波带宽上限,并由此提出两种突破带宽限制的可行方法。3.以前文提出的新型等效电路模型为基础,通过在电路中将介质基板等效的传输线转换为相应的平行导纳,提出了一种基于多层谐振结构的超宽带低剖面吸波材料设计方法。鉴于单层吸波材料的带宽限制,从最基本的Salisbury模型出发,分别引入谐振单元和多层模型来实现不同工作频段的阻抗匹配,并最终利用焊接贴片电阻的双层方环结构实现了具有四个谐振频点的超宽带电路模拟雷达吸波材料。与已报道的单、双层吸波材料成果相比,所设计模型不仅具有最大的171.2%吸波带宽,同时整体剖面高度仅为0.087λ_L(λ_L为最小工作频率对应波长,下同)。计算、仿真和测试结果验证了设计方法的准确性。4.以前文提出的新型等效电路数学模型为基础,提出了一种基于宽角阻抗匹配层的宽带宽角电路模拟吸波材料设计方法。从阻抗匹配的角度出发,发现斜入射情况下吸波材料性能弱化主要是由入射角度增大导致的介质层电纳曲线右移所引起。进一步分析在正斜入射条件下,由两层方环FSS构成的宽角阻抗匹配层的电纳匹配效果,发现其在入射角度增大时的电纳变化效果能够部分抵消介质层的电纳下降,从而实现±45°范围内的超宽带雷达波吸收,计算、仿真和测试结果验证了设计方法的准确性。