利用磁性基底改善有损耗频率选择性表面 吸收器的吸波性能外文翻译资料

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利用磁性基底改善有损耗频率选择性表面

吸收器的吸波性能

孙良奎 程海峰 周永江 王军

国家航天与材料工程学院先进陶瓷纤维与复合材料重点实验室

国防科技大学，长沙410073

使用等效电路模型来分析通过使用磁性基板来改善有损频率选择表面（FSS）吸收体的波吸收性能，表明可以扩大波吸收带宽。准备三块磁性基板。根据复介电常数和磁导率，采用时域有限差分法（FDTD）计算相应吸收体的反射率，并利用遗传算法对反射率低于-10 dB的带宽进行优化。计算结果表明，通过提高基体的复磁导率可显着提高吸波性能;单层FSS吸收体的-10 dB以下的反射率带宽可以达到3.6-18 GHz，厚度为5 mm，比带电介质基底的宽。 FSS吸收体的密度仅为0.92g / cm 3。另外，通过插入第二个有损FSS可以进一步扩大吸收带。最后，根据设计结果制作出带有磁性基板的双层有损FSS吸波材料。实验结果与设计结果一致。

关键词：波吸收性能，有损频率选择表面（FSS），带宽

1.简介

最近，由于对隐形技术的需求不断增长，越来越多的人关注高性能吸波材料。在过去的几十年中，已经进行了许多研究以实现宽带，强吸收和轻质吸收体。然而，微波吸收体的低渗透性和高密度阻碍了常规吸收体性能的进一步改进。最近，由于FSS和接地衬底的多重共振，有损FSS吸收体由有损FSS和接地介质基底组成，已被发现是高性能波吸收材料最有希望的候选者[5_7]有损FSS吸收体是Salisbury屏幕的衍生物，其是最简单的共振吸收体类型之一，并且由位于导体表面上四分之一波长的位置处的损耗屏幕构成，并且在周围呈现非常窄的响应谐振频率。[8]采用有损FSS构造吸收体的结构已经达到了增加带宽的效果[9-13]，Filippo等[144]用等效电路模型分析了有损耗FSS吸收体的阻抗，并提供了薄基于高阻抗表面的吸收体，然后获得在6-22GHz的频率范围内具有低于-10dB的反射率的宽带吸收体。

为了获得吸收体的最佳吸收率，Yeo等人开发了基于遗传算法（GA）的优化技术，Wang和Lu改进了带宽。[15j16]然而，在吸收体的一定厚度下，参数 可以优化的是不明确的。 应该在优化过程中引入一些新变量以进一步增强波吸收性能。 双层有损FSS吸收体和分形FSS吸收体是两种手段，并且发现它们表现出更好的频率响应性能[17,18]。上文讨论的吸收体全部基于介电基底。 迄今为止，尚未研究基于磁性基底的有损FSS吸收体。 在本文中，研究了磁性基板对提高波吸收带宽的影响。

2.用磁性基材对吸收体进行等效电路分析

有损FSS吸收器及其等效电路模型的示意图如图1所示

图1.基于磁性基底的有损FSS吸收器示意图：（a）侧视图，（b）正视图和（c）等效电路模型。

具有接地平面的电介质衬底的输入阻抗由Zd表示。 FSS贴片之间的边缘电容和由FSS沿电场方向的尺寸确定的FSS的等效电感分别由Cf和Lf表示。 Rf的存在是由于FSS的有限电导。

吸收系数A（omega;）可以表示为：其中R（omega;）和T（omega;）分别表示反射和透射。 作为接地衬底的结果，FSS吸收器的传输几乎接近零。 因此，R（omega;）的最小值表示A（omega;）的最大值。 因此，提出反射率来表示FSS吸收体的吸收性能。

有损FSS的阻抗Zfss可以通过串联的RLC电路来表示

Cf,Rf和Lf的值可以用参考文献给出的方法计算。接地基板的阻抗可根据传输线方法分析计算

其中Z0是自由空间的阻抗，εr，mu;r和d分别是衬底的相对介电常数，磁导率和厚度，c是光在真空中的速度。吸收体的阻抗可以通过将有损FSS并联到接地基板来获得。吸收体的反射率零点出现在电容和电感阻抗的频率附近

假定有损FSS的值分别与接地基板的电感和电容阻抗相同（参见文献[13]中的图4中的f1和f2）。在f1和f2处，吸收结构实际上是高阻抗表面，并且入射可以大部分被它吸收。通过调整FSS的尺寸和方形电阻，可以优化两个顶点之间的反射率。因此，可以通过改变Zfss和Zd来调制的f1和f2之间的距离几乎表现出反射率带宽。

图2显示了具有不同相对磁导率的接地衬底的虚部阻抗。

图2.具有不同相对磁导率的接地衬底的阻抗

结果表明，随着相对磁导率的增加，上共振频率有轻微的红移，但低共振频率向低频急剧转移，表明低频吸收性能得到改善。 计算并优化具有不同衬底相对渗透率的吸收体的带宽。 衬底的厚度和相对介电常数分别保持在5mm和3。 最佳结果如图3所示。

图3.具有不同相对渗透率的吸收体的优化反射率

结果表明适当增加相对渗透率可以拓宽吸收体的带宽，这与电路模型的分析结果一致。

3.设计和优化

通过将片状亚铁微波吸收剂加入到聚氨酯泡沫中获得，所述聚氨酯泡沫通过在65℃下在模具中混合50g聚醚多元醇和55g 4.47-亚甲基二苯基异氰酸酯（MDI）制备，标准尺寸为300times;300 x 5毫米3。 制造片状亚铁微波吸收剂质量为150g，200g和250g的三片磁性基材，分别编号为2＃，3＃和4＃。 它们的复介电常数和渗透率是由自由空间法测量的S参数计算出来的[20]，结果如图1和图2所示。 如图4（a）和4（b）所示。

随着吸收剂含量的增加，渗透率的实部和虚部略有增加。 基于所制备的磁性衬底，反射率低于-10dB的带宽通过遗传算法优化。 在目标函数中考虑吸收强度和带宽。 目标函数建立如下：

其最佳值为空。 这里R a是平均线性反射率，n B W是不满足反射率阈值的相对带宽。 优化后的结果如图4（c）所示，相应的参数见表1。

表1.基于磁性基板的优化反射率的带宽和吸收体的相应参数。 BW是反射率低于-10 dB的相应吸收体的带宽。

图4.具有不同片状亚铁吸收剂的磁性基材的复介电常数（a）和磁导率（b）与频率的关系。 （c）相应吸收体的优化反射率与频率的关系。

数字1＃表示基于介电基板的FSS吸收体，其相对介电常数为1.04。 为了增加优化空间的尺寸，考虑表1中由参数px表示的有损FSS在衬底中的位置，值1表示FSS位于衬底表面上。

由于磁性基底本身磁导率低，磁性基底本身对微波能量的吸收很少，但它们可以明显降低吸收顶点的频率，并且吸收带宽增大。 吸收性能的改善主要是由于磁性基板和自由空间之间的完美阻抗匹配，并且入射波被有损FSS消耗。

如参考文献所示。双层有损FSS吸收体比单层吸波体具有更好的吸波性能，这激励我们将第二个有损FSS插入磁性基底，以进一步扩大带宽。 针对3＃衬底，设计并优化了基于磁性衬底的双层有损FSS吸收体。 目标函数如方程 （3），吸收体参数见表2。

表2.优化反射率的带宽和双层有损FSS吸收体的相应参数

参数符号中的下标1和2分别表示第一层和第二层有损FSS吸收体。 优化结果如图5所示。

图5. GA优化的双层有损FSS吸收体的反射率

具有双层有损FSS的吸收体比具有单层有损FSS的吸收体具有更优异的吸波性能。 低于-10dB的反射率的带宽是3.2-18GHz，并且制造双层有损FSS吸收体以确认设计结果。

4.实验

吸收体通过制造两块基板来制备。 基材的厚度由表2中的参数ps1和ps2表示。相应的有损FSS吸收剂通过丝网涂覆技术印刷在基材上，然后将两层组装在一起。 他们的光学照片显示在图。 如图6（a）和6（b）所示。

图6.两层有损FSS吸收体的光学照片：（a）吸收体的两个部分，（b）吸收体的全景图。 （c）吸收器的设计和实验反射率。

吸收体的反射率用自由空间法测量，设计和实验结果如图5（c）所示。 实验结果表明，在3.15-18 GHz的频率范围内，反射率低于-10 dB，与设计的几乎一致; 该错误被合理地归因于制造公差。 本文设计的吸收体密度为0.92 g / cm3，远小于传统磁性涂层的密度。 其吸收性能比基于介质基板的有损FSS吸收体的吸收性能更优异。

5.结论

研究了基于磁性衬底的有损FSS吸收体。 磁性衬底的阻抗非常好地与自由空间阻抗匹配，并且入射波大部分被有损FSS消耗。 与常规磁吸波涂层的密度相比，吸收体的密度减轻，可以得到基体渗透率低的高性能吸波材料。 厚度为5 mm时，本文设计的单层有损FSS吸收体的反射率带宽在-10 dB以下为3.6-18 GHz，通过设计双层有损耗可将带宽扩大到3.2-18 GHz 基于磁性基材的FSS吸收剂。 实验结果证实了设计的结果。

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