发布时间 : 星期六 文章Analysis and design of ultra thin EM absorbers comprising resistively loaded-HIS-chinese更新完毕开始阅读f8eee16ecc7931b764ce1512
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用高阻抗表面电阻加载的超薄电磁吸波材料的分析与设计
Filippo Costa1，Agostino Monorchio，Giuliano Manara
摘要—高阻抗表面（HIS），包括有损频率选择性表面（FSS）被用来设计薄电磁吸收器。
这种结构，除了其典型的共振特性，还可在减小的厚度下有一个非常宽频带的吸收。损耗在频率选择性表面被引入是通过印刷电阻性油墨，从而避免了典型的大量的集总电阻焊接。通过电路模型分析了 FSS的表面电阻和电介质基板的电磁参数对吸收器输入阻抗的影响。结果表明，表面电阻值的最佳值是受基底参数（厚度和介电常数）和FSS单元形状的影响。然后，使用等效电路模型分析窄带和宽带吸收结构的工作原理，以获得最适合宽带吸收设计
参数。
关键词 - 人工磁导体（AMC），电磁吸收器，高阻抗表面（HIS），超材料吸收器，雷达波吸收材料（RAM），电阻频率选择表面（RFSS）。
第一节
简介
最近的新型超材料的合成，表现出异常的电磁性能，引入了平面频率选择性表面，因为他们大的通用性和简单的制造过程。这些表面上，可以用在电介质基地的表面，合成高阻抗表面[1]，[2]，[3]。在过去的几年中已作出一些尝试改进经典的电磁吸收器的性能，如使用这些复合材料[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[ 11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。该技术实现了接近的物理限制的厚度的带宽比[18]，[19]。薄的窄带段吸收剂，使用加载了大量电阻的金属FSS，有很多文章这样报道了 [6]，[7] [8] [9]。加载高阻抗表面（HIS），被用来合成薄而宽的吸收剂[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。使用集总电阻以在金属表面引入欧姆损耗的导致结构复杂和昂贵的费用，因为高频电阻的成本和制造的复杂性。这种方法的一个有吸引力的替代方案，通过用适当的表面电阻的电阻油墨印刷频率选择性表面[12]，[13]，[14]。在文章[17]中，提出了基于电路的某些设计规则设计电阻加载HIS吸收剂。然而，在这本书的理论针对宽带设计和并未给出实验验证。没有一个具体的的的窄带结构理论和有用的方法去选择合适的表面电阻。一个实际的薄吸收剂电阻图案可在[13]和[14] 中找到。然而，在这些论文中，由于缺乏设计原则，得到的是非最优设计。
在这里，我们通过一个简单的等效电路分析了吸收结构，详细说明了吸收器的设计中的关键参数的影响规律。结果表明，最佳FSS的表面电阻依赖于单元周期的形状，频率选择平面与基底平面的距离及基底的介电常数。最后，理论分析了一个经过实验验证的吸收结构。 本文的结构如下：在下一节中，通过等效电路的方法分析所述的吸波结构；在第三部分的澄清了FSS表面电阻和等效电路的集总电阻之间的关系。第四节给出了一个窄带薄吸收剂例子。保持恒定的电介质厚度，改变其他参数以带宽为优化目标，进行分析以确定最适合的 1
The authors are with Department of Information Engineering, University of Pisa, 56122-Pisa, Italy (e-mail: filippo.costa@iet.unipi.it; a.monorchio@iet.unipi.it; g.manara@iet.unipi.it).
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online at http://ieeexplore.ieee.org
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FSS参数。第五节，用一个实际设计例子解释了宽带吸波器。最后，在第五节，给出了窄带和宽带的设计规则。 第二节
建议的配置和电路模型
吸收板由在一个薄的介电基地上（参照图1）的有损频率选择表面组成的一个传统的高阻抗表面。 FSS阵列，由电容单元组成，在低频区域表现为一个电容，但其阻抗在第一谐振区后呈现电感性质。有损FSS的阻抗可以通过RLC串联电路表示：
。FSS的形状
影响参数L和C的值。吸收剂的表面阻抗ZR等于并联后的FSS 阻抗ZFSS和电介质的表面阻抗Zd个
电
感
。
其
阻
抗
可
以
通
过
如
下
。薄的电介质表现为一
分析计算：；
，其中
传播常数，式角。
为别为TE和TM极化下的特性阻抗，式是沿着薄板方向的
是沿传波方向的波数，为横向波数的法线相对于入射波的入射
图1三维草图。
经过对输入阻抗
ZR 的实部和虚部的一些分析，可以得出：
。
当基底的电感性阻抗Zd
和FSS的虚数部分
都为相同的值，并联电路的共振阻抗ZR变成纯实数
。为相匹配
（薄基片）并且等于
了获得对输入信号的吸收，式（6）中的阻抗应该与自由空间的阻抗
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。等式7突出了最佳
FSS的阻抗对厚度和基地介电常数的依赖关系。从式（7）可以明显看出，基板的厚度越厚， 最合适FSS表面电阻值越大。
第三节
集总电路电阻R和FSS表面电阻RS之间的关系
为了从等效电路中获得最佳的表面电阻，定义了等效电路的集总电阻R和FSS的表面电阻RS之间的关系。在严格的意义上说，在油墨涂层是均匀的情况下，损耗层的最佳的表面电阻应该正好等于Ropt。如果该层是不均匀的，例如像频率选择表面那样，其表面电阻不仅取决于（7）中的参数，即厚度和介电常数的基板，但更加取决于单元周期的形状。特别是，周期内的散射表面积比在均匀的片材模型的物理散射体大时[20]。额外的负载电阻值可用
估计，其中S = D ^2, D是单元
周期，A 是一个单元胞内损耗表面的表面积。式（8）表示，散射区域越小，相同量的能量损失下，所需的表面电阻越小。此公式对于片状FSS吻合的很好，但表面周期结构为圆环或十字架形状时，A仅表示沿着电流的方向的表面面积（平行于入射电场） 。在十字型的FSS中，例如，由交叉偶极子构成的区域。在环状的FSS情况下，关系（8）得到的电阻需要修改，由于被分成平行于电场的两部分。事实上，很容易地看出，考虑具有同样面积的十字结构和环状结构，环上的两个窄条状的电流密度高于十字结构上的电流密度。然而，严格集总电阻的计算，可以通过消耗的功率等于在单位面积的电阻片的等效传输线方法。对于一个自支撑的有损FSS，用传输线理论计算的等效电阻消耗的功率为其中 V+表示输入电压正比
于入射电场， 是自由空间阻抗， 是计算在对应FSS位置的反射系数的，R表示的FSS的集总电阻和X是由于电感和电容的特定元素的电抗。单元周期结构的功率损失的计算方法如下：
除此之外，可通过计算FSS
阻抗的实数部分[21] 以对周期结构进行全波分析后得到集中电阻的精确值。当它对应集总
参数电路中的电阻值，且单元周期是均匀的时，这样的参数对于频率是恒定的。
这里呈现集中模型可以获得一个有用的物理原理。为了验证该公式的有效性，在图2给出了吸收体的输入阻抗的实部和虚部。一个入射波被高电阻表面（HIS）吸收当输入阻抗与自由空间阻抗相匹配时。图表明了，对于一个给定的FSS的表面电阻（如RS=50 Ω/sq ），根据（4），基板的厚度的增加（保持恒定的工作频率，也即波长不变）将导致表面电阻ZR的实部增加。所考虑的FSS形状是一个正方形的方片状，其边长与单元周期之间的比等于10/16。近似的RLC电路的集总电阻根据（8）计算，并且根据[21]中提出的反演方法计算L，C值(， ，.）为了获得厚度的增加相对于波长的变化，在相同的谐振频率下通过更改单元周期的周期性。此变化将导致集总参数L和C的重新调整 [21]，但所预测的（4）和（6），它们的值不影响Re{ZR}的最大值。在所有情况下，片状周期表面的表面电阻都等于50 Ω/sq。
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图2 不同基底厚度的阻抗ZR的实部和虚部。 FSS的边长与周期的比为10/16。表面电阻都等于50 Ω/sq。
第四部分
窄带参数
所提出的方法可以合成超薄窄带吸收器。固定基片的厚度和介电常数，具有最大的工作频带的FSS的是与相邻的片有狭窄间隙的片状结构[22]。
在图3显示的是不同周期结构HIS吸收剂的反射系数。有损频率选择表面印在1毫米板坯上，对应在λ/30工作频率上。可以注意到，较高的占有比例的电阻表面所对应的最佳的表面电阻值较大。事实上，根据式（8），有损表面面积与单位单元面积之间比例小的周期结构，产生相同的等效集总电阻所需的表面电阻的电阻更小。
使用高介电常数基板，在观察频段内对角度变化不敏感，但有效带宽减少很大。对于TM极化，斜入射时通孔的使用可以很好地放大和稳定吸收带宽 [23]。