張清+田俊霞+李天宇

摘要

本文研究了電路模擬技術(shù)在吸波材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對電路模擬吸波材料進(jìn)行了理論分析及，探討了電路模擬技術(shù)在吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，結(jié)果表明電路屏的加入可增大吸波復(fù)合材料的表面輸入阻抗，從而提高吸波復(fù)合材料的吸波性能，驗(yàn)證了電路模擬技術(shù)在吸波結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可提高吸波復(fù)合材料的吸波性能。

【關(guān)鍵詞】電路模擬技術(shù) 電路屏 吸波結(jié)構(gòu) 吸波復(fù)合材料

吸波材料主要用于降低飛機(jī)雷達(dá)散射截面，電路模擬技術(shù)是指通過在吸波結(jié)構(gòu)中加入周期性薄金屬柵或金屬片用以改變結(jié)構(gòu)反射特性，電路模擬吸波結(jié)構(gòu)由柵格單元與間隔層構(gòu)成，可反射一個(gè)或多個(gè)頻率，而對其他頻率透明。目前國內(nèi)對于電路模擬吸波材料的理論及實(shí)驗(yàn)研究仍處于初步階段，研究方向涉及電路屏制備參數(shù)對電路模擬吸波材料吸波性能的影響、電路模擬吸波結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，對于電路模擬技術(shù)在吸波結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的研究仍需進(jìn)一步的深入。

1電路模擬吸波材料的理論分析

吸波材料要求有較低的反射率，這就要求材料對電磁波有較大的吸收和透過，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可通過使材料輸入阻抗等于或接近于自由空間的波阻抗實(shí)現(xiàn)，電磁波的傳輸線理論指出吸波材料表面的輸入阻抗Zind除了與本征阻抗Zc有關(guān)外，還與電路屏放置位置d有關(guān)，公式如下：

Zind=Zcth（α+jβ）d，式中α為衰減常數(shù)，β為相位常數(shù)。

材料表面的發(fā)射系數(shù)R=（Zind-Z0）/（Zind+Z0），Z0）為自由空間阻抗。為減小反射系數(shù)，應(yīng)使吸波材料表面的輸入阻抗模|Zind|盡可能接近Z0，一方面可通過選擇材料的厚度來使|Zind|接近Z0，另一方面可通過增大|Zind|的極大值使其接近Z0，電路屏的加入即可增大|Zind|的極大值，而這其中感性電路屏使|Zind|增大接近Z0的可能性最大，感性電路屏的感納

在特定的頻率下即可計(jì)算得出感納值。不同尺寸的電路屏同一吸波復(fù)合材料中的發(fā)射率曲線，吸波復(fù)合材料的最大吸收峰隨著電路屏尺寸a和c的增大向低頻方向偏移。在電磁波工作頻率8?18GHz范圍內(nèi)，AA、BB曲線代表的吸波復(fù)合材料吸波性能較好，因此，在其他制備參數(shù)一致的情況下，可選擇a×c=llmm×7.5mm尺寸和a×c=16mm×llmm尺寸的電路屏。

不同吸收劑含量的介質(zhì)層體系對吸波復(fù)合材料吸波性能的影響，體系中各介質(zhì)層由于吸收劑含量的不同而引起電磁參數(shù)的變化，進(jìn)而影響吸波復(fù)合材料的吸波性能，對比可發(fā)現(xiàn)在其他制備條件相同的情況下，吸波復(fù)合材料中任何一介質(zhì)層吸收劑含量的增加即任一介質(zhì)層材料電磁參數(shù)的增大，都會(huì)使吸波復(fù)合材料的最大吸收峰向低頻方向偏移。

2電路模擬技術(shù)在吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電路模擬吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于使材料表面的波阻抗在較寬的頻率范圍內(nèi)盡量接近自由空間阻抗，以達(dá)到在減少復(fù)合材料厚度的前提下，不降低吸波材料吸波性能的目的。

首先確定吸波復(fù)合材料各介質(zhì)層的電磁參數(shù)和吸波材料總厚度，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)假定的電路屏放置位置明確工作頻寬（8?18GHz）內(nèi)的反射干涉波段及吸收波段，由反射干涉波段中最小波長X和電磁波繞射公式dsinθ=nλ；1計(jì)算出電路屏臨界尺寸，再由c/a≥0.7確定電路屏周期單元中a的取值范圍，由吸收波段中最大吸收點(diǎn)所對應(yīng)的波長，根據(jù)傳輸線理論波阻抗公式

計(jì)算介質(zhì)層波阻抗及電路屏的波阻抗，比較底層波阻抗和電路屏波阻抗，調(diào)整電路屏尺寸a、c，使兩者波阻抗盡量接近，從而確定電路屏a、c值；根據(jù)傳輸線；理論計(jì)算工作頻寬內(nèi)各個(gè)典型頻率點(diǎn)的吸收率，當(dāng)各個(gè)典型頻率點(diǎn)的吸收率都滿足要求時(shí)，則電路屏尺寸a、c及電路屏放置位置d確定，若不滿足，則重復(fù)步驟指導(dǎo)確定電路屏尺寸a、c及電路屏放置位置d。

吸波復(fù)合材料厚度的設(shè)計(jì)同樣重要，相同波長、電磁參數(shù)一致的情況下，單層材料表面波阻抗膜|Zind|會(huì)隨著材料厚度的增大而降低，在其他制備條件相同的情況下，吸波復(fù)合材料的最大吸收峰同樣會(huì)隨著材料厚度的增加而向低頻方向偏移，有研究指出含電路模擬結(jié)構(gòu)“陷阱”式吸波復(fù)合材料在厚度≤4mm的條件下，可實(shí)現(xiàn)吸波性能在8?18GHz頻率范圍內(nèi)吸收率≥12dB[4]。某飛航導(dǎo)彈的吸波結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道壁采用了總厚度≥4mm的內(nèi)外蒙皮間吸波材料，在工作頻寬內(nèi)TE極化，要求反射率<-3dB，吸波材料的電磁參數(shù)=10-j0.5，電路屏尺寸a×c=5.6mm×4.0mm，加入電路屏后計(jì)算TE極化時(shí)工作頻寬內(nèi)的發(fā)射率如表1，符合反射率<-3dB的要求。

3結(jié)論

在吸波結(jié)構(gòu)中加入電路屏可有效提高吸波復(fù)合材料的吸波性能；在吸波復(fù)合材料總厚度、各介質(zhì)層參數(shù)相同的情況下，在工作頻寬（8?18GHz）內(nèi)吸波復(fù)合材料的最大吸收峰會(huì)隨著電路屏尺寸a和c的增大向低頻方向偏移；在材料總厚度、電路屏尺寸等參數(shù)相同的情況下，吸波復(fù)合材料中任何一介質(zhì)層吸收劑含量的增加即任一介質(zhì)層材料電磁參數(shù)的增大，都會(huì)使吸波復(fù)合材料的最大吸收峰峰向低頻方向偏移；在吸波復(fù)合材料各介質(zhì)層參數(shù)、電路屏尺寸等參數(shù)相同的情況下，吸波復(fù)合材料的最大吸收峰會(huì)隨著材料總厚度的增加而向低頻方向偏移。電路模擬技術(shù)在吸波結(jié)構(gòu)中應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性，在提高材料性能的同時(shí)，也兼具經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1]王國成，徐乃昊，劉毅等.基于遺傳退火算法的電路模擬吸波材料設(shè)計(jì)[J].宇航材料工藝，2012，42（03）：13-16.

[2]薛景，張金勝，張洋等.吸波材料的吸波機(jī)理以及在土木工程方面的應(yīng)用[J].中國科技投資，2016（29）：23.

[3]張瑩雪.基于電路模擬的單層吸波結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)[D].華價(jià)大學(xué)，2014.

[4]劉沙沙，高正平.多層方環(huán)形頻率選擇表面吸波材料的等效電路模型[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015，29（22）：130-134，140.endprint