材料研究学报(中文版) 2018 , 32 (8): 567-574 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.678

研究论文

有耗频率选择表面蜂窝吸波复合材料的电磁性能

陈育秋¹^,², 祖亚培¹, 宫骏¹, 孙超¹^,, 王晨³

1 中国科学院金属研究所沈阳 110016
2 中国科学院大学北京 100049
3 澳汰尔工程软件(上海)有限公司上海 200436

Electromagnetic Property of Honeycomb Absorbing Composites with Lossy Frequency Selective Surface

CHEN Yuqiu¹^,², ZU Yapei¹, GONG Jun¹, SUN Chao¹^,, WANG Chen³

1 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Altair Engineering Software (Shanghai) Co. Ltd., Shanghai 200436, China

中图分类号: TB333

文章编号: 1005-3093(2018)08-0567-08

通讯作者: 通讯作者孙超,研究员,csun@imr.ac.cn,研究方向为电磁功能薄膜材料

收稿日期: 2017-11-16

网络出版日期: 2018-08-29

作者简介:

作者简介陈育秋,女,1986年生,博士生

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摘要

采用芳纶纸蜂窝与有耗频率选择表面复合设计兼具重量轻、强度高及吸波带宽宽的蜂窝吸波复合材料,研究了蜂窝吸波复合材料中蜂窝的厚度和有耗频率选择表面对结构电磁性能的影响。用等效电路法分析了传统孔径型方环有耗频率选择表面的电磁波吸收原理及该结构在宽频电磁吸收方面的缺陷。使用开槽的方法增大该结构等效电容的作用,在保持高频吸收性能基本不变的情况下增大了低频吸收峰,改进了结构的低频吸收性能,使吸波带宽展宽1倍以上。通过matlab计算出等效电容和等效电感,结果表明：方环形有耗频率选择表面的环宽度只改变等效电感的大小,等效电容保持不变;等效电感的大小主要影响高频吸收峰位,等效电容的大小主要影响低频吸收峰位。蜂窝厚度主要影响低频吸收峰值和高频吸收峰位。基于以上特性设计出具有宽频电磁波吸收性能、厚度为6 mm的蜂窝夹芯结构吸波材料：在6 mm蜂窝介质表面覆盖开槽方环形有耗频率选择表面,最下面为金属反射层,其-10 dB的电磁波吸收带宽达到14 GHz。测试结果与设计结果基本一致。

关键词： 金属材料 ; 蜂窝吸波复合材料 ; 电磁性能 ; 有耗FSS ; 等效电感 ; 等效电容

Abstract

The honeycomb absorbing composites with light weight, high strength and broadband absorbing property had been designed by combination of aramid honeycomb and lossy frequency selective surface composite. The effect of the thickness of honeycomb and the configuration of lossy frequency selective surface on electromagnetic performance was investigated, while the electromagnetic absorbing principle of the lossy frequency selective surface with traditional aperture was analyzed by the equivalent circuit method, and of which the deficiency in broadband absorbing was also proposed. In order to resolve the structure with none equivalent capacitance, slots were made on the lossy frequency selective surface with traditional aperture. Consequently, there have been another absorption peak in low frequency, and the high frequency absorption performance kept unchanged. Correspondingly the low frequency absorption performance was greatly improved, thus the whole absorbing performance of the very configuration was greatly improved, and the absorbing bandwidth had been broadened more than one time. Through calculating the equivalent capacitance and inductance by matlab, it follows that as the width of square ring changed,the equivalent inductance varied accordingly,but the equivalent capacitance remain unchanged; The high frequency absorption peaks were mainly affected by the equivalent inductance, and the low frequency absorption peaks were mainly affected by the equivalent capacitance. The thickness of honeycomb mainly affected the low frequency absorption peak and the position of high frequency absorption peak. According to the above characteristics, a thickness of 6mm broadband honeycomb absorbing composites had been designed with the slotted lossy frequency selective surface in front of the honeycomb medium, which presented an absorbing bandwidth 14 GHz of -10 dB. The actual test result basically accorded with the design expectation.

Keywords： metallic materials ; microwave absorbing honeycomb composites ; electromagnetic property ; loss FSS ; equivalent inductance ; equivalent capacitance

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陈育秋, 祖亚培, 宫骏, 孙超, 王晨. 有耗频率选择表面蜂窝吸波复合材料的电磁性能[J]. 材料研究学报(中文版), 2018, 32(8): 567-574 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.678

CHEN Yuqiu, ZU Yapei, GONG Jun, SUN Chao, WANG Chen. Electromagnetic Property of Honeycomb Absorbing Composites with Lossy Frequency Selective Surface[J]. Chinese Journal of Material Research, 2018, 32(8): 567-574 https://doi.org/10.11901/1005.3093.2017.678

兼具良好的结构承载能力和电磁波吸收性能的结构吸波复合材料能满足结构-功能一体化要求,在航空航天领域有广阔的应用前景。蜂窝材料是模仿天然蜂巢的正六边形蜂窝结构,由无耗纤维板或者芳纶纸压制而成。蜂窝吸波材料具有较多的结构和性能优势,例如：刚度及强度较高、重量较轻、导热系数较低等^[1]。使用蜂窝结构制备的吸波材料兼有重量轻、强度高及吸收电磁波性能强等优点,受到了重视和研究。蜂窝结构本身没有吸波性能,传统的吸波蜂窝材料主要以芳纶纸蜂窝为基体,通过浸渍掺有吸收剂的胶液制备而成。通过夹芯吸波结构对入射电磁波进行多次散射吸收,从而最大限度地衰减雷达波能量并由此获得优异的宽频吸波效果,其吸波性能主要取决于蜂窝本身的规格尺寸以及浸渍胶液体系。此类吸波蜂窝的制备工艺复杂,较难实现电磁参数的梯度控制,不利于蜂窝阻抗匹配特性优化,因此宽频吸波效果及吸波稳定性并不理想^[2,3]。针对以上问题,本文利用芳纶纸蜂窝与有耗频率选择表面设计蜂窝吸波复合材料。频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)是一种由谐振单元按照二维周期性排列构成的单层或多层的平面或立体结构,对电磁波具有频率选择特性。其单元分为周期性金属贴片和周期性孔径两种类型。FSS基本单元形状有偶极子、耶路撒冷、十字、方环等,FSS与滤波器的特性非常相似,有高通、低通、带通、带阻特性^[4,5,6,7]。由于具有良好的滤波特性,FSS在微波、毫米波、红外直至光波的各个频段得到了广泛的应用,在军事和民用方面都受到了极大的关注^[8,9,10,11]。将改进的FSS单元与蜂窝结构结合,可改善复合结构的电磁波吸收性能。

反射系数是最能反映吸波材料电磁性能优劣的重要指标,因此可计算反射系数以研究结构蜂窝结构吸波材料的电磁性能。为了研究蜂窝吸波材料的电磁性能,可由实验测量得到反射系数,但是过程比较复杂,且费时费力。随着计算机技术的发展蜂窝结构吸波材料的设计多采用数值计算方法,包括矩量法、时域有限差分法、有限元法及等效电路法等。这些方法解决了实验过程费时费力的问题。等效电路法是一种简单有效的分析方法,用等效电路法分析FSS广泛地应用在宽带吸波材料的设计中^{[12,13,14,15,16,17]}。使用等效电路法可将FSS等效为等效电感L及等效电容C构成的谐振电路,大小由FSS单元的形状、尺寸及分布形式决定。基于不同形状的FSS吸波材料研究一直是一个热点,方环型单元由于其简单易制作及优异的宽带电磁波吸收性能深受设计者的青睐^[6]。传统设计方环型FSS的方法,一般是在金属层上蚀刻孔径单元,通过不同的孔径单元实现单通带或多通带的效果。用此方法设计的结构虽然加工简单和易于实现,但是其频率特性只具有一阶电磁特性。这种简单的孔径结构有无法消除的缺陷：例如,这种FSS结构通常呈感性,只有等效电感L的作用,没有等效电容C的作用,使结构的谐振吸收频段偏高;结构的低频吸波性能偏差,无法实现具有较好特性的宽频甚至超宽频带通滤波特性,因此其应用有很大的局限性。传统的FSS基于理想导体单元的周期结构,近年来高阻抗FSS的出现使结构吸波材料的发展迈上了新的台阶。高阻抗FSS是一种有耗FSS,在FSS结构的滤波特性上增加了欧姆损耗特性,实现了高阻抗FSS结构解决单一吸波结构无法实现宽频带电磁特性的问题^{[18, 19]}。基于此,本文利用高频电磁场计算软件FEKO研究方环形有耗FSS参数及蜂窝厚度对结构电磁性能的影响,并设计一种具有宽频特性的含有耗FSS的蜂窝吸波结构。

1 实验方法

1.1 蜂窝吸波复合材料的制备

使用的蜂窝是一种商用NRH-Ⅱ-80型蜂窝,使用LLFJ-600型内置平面靶磁控溅射仪制备Al有耗FSS。选用纯Al(纯度为99.9%)作为靶材,基片选用厚度为25 μm的聚酰亚胺(相对介电常数为3.4),镀膜前基片用丙酮擦拭并经氮离子轰击,并安装在靶下面可旋转的滚筒上,保证基片不加热。基片至靶间的距离为120 mm,真空室预真空3×10^-3 Pa,通入Ar气,工作压强0.5 Pa,溅射功率为300 V×2.8 A,沉积速率约1.0 nm/s。在其它工艺参数保持不变的情况下,改变镀膜时间以调整Al薄膜的厚度,使用Alpha-Step IQ接触式表面形貌分析仪测试薄膜的厚度。

1.2 蜂窝吸波复合材料反射率的测量

用反射率表征材料的电磁性能。电磁波反射率测试曲线表示在介质底面有全反射体如金属板的测试结果,此时透射率为0,反射率与吸收率的和为1。

先使用良导体衬板Al板来标定零点,测量基片的反射率(基片后面未放置良导体衬板) 结果与暗室背景的反射率基本一致。可见电磁波在基片中的传输特性与在自由空间的传输特性近乎相同。将用磁控溅射制备出的有耗FSS和蜂窝构成的吸波复合材料样板放置于3 mm的全反射底板Al板之上,样品大小为200 mm×200 mm。采用弓形法测量复合结构的电磁波反射率,测量的频率范围为4~18 GHz,分为4~8 GHz及8~18 GHz两套天线进行测试。电磁波的入射角α =6.00°,使用的微波测试仪器为HP-8350B Sweep Oscillator和HP-8757C Scalar Network Analyzer。

2 仿真计算方法

FEKO软件可分析薄介质片、多介质体及平面分层媒质等复杂问题,在多单元的FSS结构中可以通过加载周期边界条件来实现含FSS吸波材料的电磁散射的快速计算^[20],本文使用该软件对Al有耗FSS平面与蜂窝复合结构吸波材料进行电磁性能计算。

仿真模型如图1所示。图1给出了蜂窝吸波材料周期结构中一个单元的形状和尺寸,a为方环的外边长,s为缝隙的大小,p =a +s为单元的周期,w为方环的宽度。平面波从顶部沿蓝色箭头方向垂直入射,研究吸波材料对入射波的反射率。模型中最外面的黄色立体框为周期边界,根据周期边界条件可计算一个单元结构得到按照周期边界排布的无限大周期结构对电磁波的反射。对于FSS结构,使用周期边界条件可提高电磁场的计算效率,节约计算机内存及CPU使用。图1中的最上方黄铜色方环形单元为Al有耗FSS单元,计算中设置的Al电导率 $σ = 3.816 \times 10^{7} \frac{S}{m}$ ,Al有耗FSS的厚度本文设置为250 nm。Al有耗FSS下面的绿色正方体为蜂窝介质,根据实际样板厚度设置厚度,相对介电常数 $ε_{r} = 1$ ,电损耗角正切 $\tan δ_{ε} = 0$ ,相对磁导率 $μ_{r} = 1$ ,磁损耗角正切 $\tan δ_{μ} = 0$ 。最下面的灰白正方体为金属底板,作为全反射层,设置为理想导体(Perfect Electric Conductor,PEC),这种吸波结构的透射为0。所以,分析中只需考虑蜂窝吸波结构的反射率,反射率越小吸波性能越好。模型建立后对模型的各部分进行参数设置,选择外加激励电磁波的类型。在仿真模型中,激励源选择垂直极化均匀平面波,幅值为1,相位角为0°,频率范围为2~20 GHz。选择四面体网格对模型进行划分网格,网格的大小选择为λ/8(λ为该频段最高频率的电磁波在材料中对应的波长)。选择周期边界条件,用矩量法MOM求解。

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图1 蜂窝结构吸波材料的仿真模型

Fig.1 Simulation model of honeycomb absorbing materials

3 结果和讨论

3.1 方环形有耗 FSS开槽前后对结构电磁性能的影响

传统的孔径型有耗FSS示意图及等效电路模型,如图2a、b所示。可以看到,当电磁波入射到此类型的有耗FSS表面仅在导电结构的表面产生电流分布,表面电流产生的环绕磁场形成电感L。计算电感L的公式为^[21,22]

$L = \frac{X}{ω}$ (1)

$X = τ_{L} ∙ Z_{0} ∙ \frac{p}{λ} \{\ln (\csc \frac{π w}{2 p}) + \frac{1}{2} {(1 - b^{2})}^{2} \frac{2 A (1 - \frac{b^{2}}{4}) + 4 b^{4} A^{2}}{(1 - \frac{b^{2}}{4}) + 2 A b^{2} (1 + \frac{b^{2}}{2} - \frac{b^{4}}{8}) + 2 A^{2} b^{6}}\}$ (2)

其中 $ω$ 为角频率, $Z_{0}$ 为空气波阻抗, $τ_{L} = w / p, A = \frac{1}{\sqrt[]{1 - {(p / λ)}^{2}}} - 1$ , $b = \sin (π w / 2 p)$ 。这种单元类型的FSS周期p与单元大小a相等,s的大小为0。利用matlab对公式(1)、(2)进行求解,可得单元尺寸p =a =22 mm,w =8 mm的有耗FSS在2~18 GHz入射电磁波下产生的等效电感L,进而可得ωL随频率变化的曲线(图3)。可以看到,在高频部分ωL的数值较高,对谐振吸收峰的影响主要体现的高频部分,这也是传统孔径型FSS通常吸收峰位都在高频段的原因。

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图2 孔径型方环有耗FSS示意图和等效电路模型

Fig.2 Diagram and equivalent circuit model of lossy aperture type FSS (a) sketch of the structure, (b) equivalent circuit model

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图3 传统孔径型FSS的ωL值与频率的关系

Fig.3 ωL curve of traditional aperture type FSS varies with frequency

根据传输线理论和反射系数为0满足的条件,可得曲线 $y_{1}$ 和 $y_{2}$ 的交点即吸收峰可能出现的位置^[21]

$y_{1} = \frac{1}{ωC} - ωL$ (3)

$y_{2} = \frac{377}{2} \times \sin (2 kd)$ (4)

以上结果表明,当介质的厚度d不变时y₂曲线保持不变,控制等效电容C及等效电感L的大小可改变曲线y₁的形状,进而调节吸收峰的位置。

为了拓宽结构的吸波带宽,改进传统的孔径型有耗FSS,在每一个单元之间开槽。用不同单元间导电结构边缘的散射电场产生等效电容C提高结构的低频吸波性能,如图4a所示。当电磁波入射到此FSS表面时受入射电磁波的作用,不同方环形导电单元的左右两侧聚集表面电流。由于该电流的作用,电荷在单元之间聚集。因相邻方环之间电荷正负性不同而产生电容。表面电流产生的环绕磁场主要分布在左右两臂上,形成电感^[23]。开槽改进后的有耗FSS等效电路模型,如图4b所示。

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图4 孔径型方环有耗FSS开槽后示意图和等效电路模型

Fig.4 Diagram and equivalent circuit model of lossy aperture type FSS with slot (a) sketch of the structure, (b) equivalent circuit model

计算开槽改进后两单元之间产生的等效电容C的公式为^[21,22]

$C = \frac{B}{ω}$ (5)

$B = τ_{C} ∙ \frac{1}{Z_{0}} ∙ \frac{4 p}{λ} \{\ln (\csc \frac{π (p - a)}{2 p}) + \frac{1}{2} {(1 - b^{2})}^{2} \frac{2 A (1 - \frac{b^{2}}{4}) + 4 b^{4} A^{2}}{(1 - \frac{b^{2}}{4}) + 2 A b^{2} (1 + \frac{b^{2}}{2} - \frac{b^{4}}{8}) + 2 A^{2} b^{6}}\}$ (6)

其中 $τ_{C} = a / p$ , $A = \frac{1}{\sqrt[]{1 - {(p / λ)}^{2}}} - 1, b = \sin (\frac{π (p - a)}{2 p})$ 。这种单元类型的FSS周期p为单元大小a与缝隙s的和。等效电感L的求解公式,与(1)、(2)式相同。在周期p和环宽w不变的情况下,L的值保持不变。使用matlab对公式(5)、(6)进行求解,可得单元尺寸p =22 mm,a =18 mm,w =8 mm的FSS在2~18 GHz入射电磁波下产生的等效电容C,进而得到1/ωC值随频率变化曲线(图5)。可以看到,1/ωC的值相对于ωL在低频段较高,对谐振吸收峰的影响主要体现低频部分。传统的孔径型有耗FSS进行单元间开槽设计后,其等效电路模型中在保持其等效电感和电阻不变的情况下增大了等效电容的作用。这表现在对入射电磁波的反射上即在低频段可能出现新的吸收峰,降低了低频段对入射电磁波的反射,进而增大了结构的吸波带宽。

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图5 孔径型FSS开槽后的1/ωC值与频率的关系

Fig.5 1/ωC curve of traditional aperture type FSS with slot varies with frequency

图6给出了有耗FSS开槽前后对电磁波反射率影响的对比曲线,图6a中黑色曲线代表单元尺寸为p =a =22 mm,w =8 mm的厚度为250 nm的Al有耗FSS位于6 mm蜂窝表面的反射率;红色曲线表示单元尺寸为p =22 mm,a =18 mm,w =8 mm的厚度为250 nm的开槽Al有耗FSS位于6 mm蜂窝表面的反射率。可以看出,两种结构在高频12GHz处都存在一个吸收峰,差别是开槽后的FSS结构在低频5 GHz处存在另一个吸收峰。该吸收峰的存在使整个结构对入射电磁波反射率低于-10 dB带宽由原来的3 GHz增加到8 GHz,大幅度的提高了结构的吸波性能。图6b中的黑色曲线代表单元尺寸为p =a =13 mm,w =5 mm的厚度为250 nm的Al有耗FSS位于6 mm蜂窝表面的反射率;红色曲线表示单元尺寸为p =13 mm,a =12.5 mm,w =5 mm的厚度为250 nm的开槽Al有耗FSS位于6 mm蜂窝表面的反射率。可以看到,两种结构在高频处的吸收峰位基本相同,最主要的差别是开槽后的FSS结构在低频5 GHz处存在另一个吸收峰。该吸收峰的出现使整个结构的电磁波反射率低于-10 dB的带宽由原来的5 GHz增加到13.5 GHz,大幅度提高了结构的吸波带宽。由此可见,对两种结构的有耗FSS进行开槽都大幅提高了结构的吸收带宽。

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图6 两种不同周期FSS吸波结构开槽前后电磁性能的仿真计算对比曲线

Fig.6 Simulation on electromagnetic property of two FSS absorbing structures before and after being slot (a) p =22 mm, (b) p =13 mm

3.2 方环形有耗FSS环宽度对结构电磁性能的影响

图7给出了开槽后的有耗FSS通过调整单元环宽度对电磁波反射率影响的仿真计算曲线。图7a曲线代表单元尺寸为p =22 mm,a =18 mm,宽度w由8 mm增加到14 mm,厚度为250 nm的Al有耗FSS位于6 mm蜂窝表面的反射率变化。其它参数不变,只改变环宽度的大小,环宽度为8、10、12、14 mm时结构的低频吸收峰位基本不变,高频处的吸收峰位分别为12.4、13.2、13.6、14 GHz。可以看出,单元环宽的变化不影响结构的低频吸收峰位,而高频吸收峰位随着环宽的增加向高频方向移动。图7b中的曲线代表单元尺寸为p =13 mm,a =12.5mm,宽度w由4 mm增加到7 mm,厚度为250 nm的Al有耗FSS位于6 mm蜂窝表面的反射率变化。同样,结构的其它参数不变,只改变环宽度的大小,环宽度为4 mm、5 mm、6 mm及7 mm时结构的低频吸收峰位同样基本保持不变,高频处的吸收峰位分别为15.2、16、16.8、17.6 GHz。同样可以得到单元环宽的变化对结构的低频吸收峰位没有影响,而高频吸收峰位随着环宽的增加向高频方向移动。综上,对于开槽方环形有耗FSS,可改变环宽以调节高频吸收峰的位置进而提高结构的吸波带宽。

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图7 两种不同周期开槽FSS的环宽度对吸波结构电磁性能的影响

Fig.7 Electromagnetic property of two periods slotted square FSS absorbing structures with different width of square ring (a) p =22 mm, (b) p =13 mm

以单元尺寸为p =13 mm,a =12.5 mm,厚度为250 nm的Al有耗FSS放置在6 mm的蜂窝表面为例,当环宽度w分别为4、5、6、7 mm时,用matlab对影响吸收峰位的ωL及1/ωC求解,可得到其对应于不同频率的数值,如图8所示。从图8a可见,当w从4 mm增加到7 mm时ωL的值随着w的增加而减小,从而使公式(3)、(4)中y₁与y₂曲线交点向高频方向移动。图8b中1/ωC值在环宽度分别为4、5、6、7 mm时,所有曲线重合在一起,1/ωC值保持不变。即环宽度只影响等效电感L,对等效电容C没有影响。利用这一点可控制环宽度以调节高频吸收峰位,从而得到宽带吸波材料。通过比对得到单元尺寸p =13 mm,a =12.5 mm,w =6 mm,厚度为250 nm的Al有耗FSS与6 mm的蜂窝表面构成的吸波结构,其对入射电磁波反射率小于-10 dB的带宽达到14.5 GHz。

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图8 环宽度对开槽方环FSS的ωL、1/ωC的影响

Fig.8 ωL、1/ωC of slotted square FSS with different width of square ring (a) ωL, (b) 1/ωC

3.3 方环形有耗FSS中单元周期p对结构电磁性能的影响

图7a对应的结构在14~18 GHz频段出现对入射电磁波强反射,而图7b在此频段没有强反射现象的出现。在两种结构中方环形有耗FSS的主要差别为单元的周期尺寸p。当周期p与波长接近时方环形有耗FSS吸波结构不能吸收电磁波,对入射的电磁波表现为强反射。为提高结构的高频吸波性能,设计的结构的单元周期应该小于波长以避免强反射的出现,进而提高整个结构的吸波带宽^[21]。

3.4 蜂窝厚度对结构电磁性能的影响

图9给出了通过仿真计算得到的蜂窝厚度对结构吸波性能的影响。当蜂窝厚度分别为5、6、7、8 mm时低频和高频吸收峰位分别为6、5.2、4.8、4.4、18.8、16.8、14.8、12.8 GHz,对应的吸收峰值分别为-12、-15.8、-21.8、-36.1、-28.2、-16.1、-11.9、-9.8 dB。可以看出,随着蜂窝厚度的增大低频和高频处吸收峰位同时向低频方向移动,高频处的吸收峰位变化幅度更高。同时,随着蜂窝厚度的增加低频处的吸收值逐渐增大,高频处的吸收峰值逐渐减小。蜂窝厚度的变化,主要影响低频处的吸收峰值及高频处的吸收峰位。综合考虑蜂窝厚度对整体吸波性能的影响,最后选择6 mm厚度的蜂窝与有耗频率选择表面结构作为本文测试的蜂窝吸波复合结构。

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图9 蜂窝厚度对结构电磁性能的影响

Fig.9 Effect of honeycomb thickness on electromagnetic property of the structure

3.5 方环形有耗FSS蜂窝吸波结构电磁性能的实验验证

使用磁控溅射方法制备单元尺寸p =13 mm,a =12.5 mm,w =6 mm,厚度为250 nm的Al有耗FSS,样品模型如图10a所示。图中上面的有耗FSS采用的等效厚度250 nm,中间为6 mm蜂窝介质,最下面为Al金属背板。测试4~18 GHz平板的反射率,以检验设计结果电磁性能的有效性。图10b给出了仿真与实验结果电磁性能对比图,可见计算结果与测试结果吻合较好,验证了设计方案的可行性。在4~18 GHz范围内测试结果均小于-10 dB。

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图10 方环FSS蜂窝吸波结构实物图及仿真测试结果对比曲线

Fig.10 Honeycomb absorbing structure with square FSS and the contrast curves of simulation and test results (a) honeycomb absorbing structure with square FSS, (b) contrast curves of simulation and test results

4 结论

(1) 优化设计FSS的参数,可提高方环形有耗FSS蜂窝吸波材料结构的电磁性能。对传统孔径型方环有耗FSS进行开槽设计,使整个结构的等效电路模型增加了等效电容C,提高了结构对入射电磁波的低频吸收性能,使复合结构的-10 dB的吸波带宽在原有基础上提高了1倍以上。

(2) 方环形FSS中环宽度w只影响其等效电感L,不影响等效电容C。通过开槽设计增加等效电容C、调节环宽度w及选择适当的周期p,得到了反射率低于-10 dB的带宽为14.5 GHz的吸波结构。结构中有耗FSS的单元尺寸为p =13 mm,a =12.5 mm,w =6 mm;Al有耗FSS的等效厚度为250 nm;介质层蜂窝的厚度为6 mm。

(3) 蜂窝厚度影响结构的电磁性能,随着蜂窝厚度的增大低频和高频处的吸收峰位都向低频方向移动;低频处的吸收峰值随着蜂窝厚度的增大而增大,高频处的吸收峰值随着蜂窝厚度的增大而减小。

(4) 蜂窝复合材料电磁波吸收性能的仿真计算结果与实际测试结果吻合较好,设计的蜂窝复合材料具有宽频电磁波吸收性能。在4~18 GHz厚度为6 mm的蜂窝吸波复合材料对电磁波的反射率均小于-10 dB。

The authors have declared that no competing interests exist.

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