模拟电路宽频吸波材料的设计.docx

1、模拟电路宽频吸波材料的设计 基于电路模拟结构（Circuit Analog）的 宽频吸波材料的设计摘要随着电磁技术的日益发展，越来越多电子设备都以电磁波为传输介质。作为以电磁波为探测波的雷达探测技术也在不断进步。为了应对精度不断提高的雷达，雷达吸波材料RAM渐渐进入各国的视野并被投入研究和生产。如今雷达吸波材料的先进程度也成为了一个国家在国防领域强弱的标志。美国的隐形战机系列就是典型的雷达吸波材料应用在军事领域的例子。基于电路模拟结构是基于Salisbury screen和Jaumann screen吸波材料而提出的第三代RAM。吸波材料能够通过阻抗匹配和共振有效的减小RCS的值，由此来降低目

2、标被发现的概率。这也是各国竞相发展其的直接原因。基于电路模拟结构吸波材料是在传统吸波材料上加上一层FSS，不仅能减小反射系数，还能增加吸波材料的谐振点，继而使吸波带宽增加，使其达到更好的吸波特性。既然吸波材料是起到一个吸波的作用，那么实现吸波材料的“薄、宽、强、轻”便是我们今后研究吸波材料的方向。本课题就将采用频率选择表面的方法使雷达吸波材料达到更佳的性能。关键词：雷达吸波材料；基于电路模拟结构；FSS；反射系数Based on Circuit Analog structure broadband absorbing material designABSTRACT With the devel

3、opment of electromagnetic technique, more and more electronic devices with electromagnetic waves as the transmission medium.Electromagnetic wave is used by radar for target detection and the technique of radar is improved quickly.In order to guard against radar,RAM （Radar Absorbing Material） gradual

4、ly into the field of vision and was put into research and production.Now the degree of advanced radar absorbing material has become the symbol of a country in the field of national defense strength.The stealth aircraft series is a typical example of radar absorbing material application in military f

5、ield.Based on Circuit Analog structure broadband absorbing material design is based on Salisbury screen and Jaumann screen absorbing material,is the third generation RAM.Absorbing material can make use of impedance matching and effectively reduce the value of RCS(Radar Cross Section) to reduce the p

6、robability which target is found by the radar.It is the direct reason that so many country develop RAM. Based on Circuit Analog structure broadband absorbing material design is a model of the traditional absorbing material with the FSS .Not only can reduce the reflection coefficient, but also can in

7、crease the resonance point of absorbing material, then make absorbing bandwidth increases, to the better absorbing function. Since the absorbing material is an absorbing effect, so realize the absorbing material thin, wide, strength, light is our direction of the research of absorbing material in th

8、e future.This topic will adopt the method of frequency selective surface makes the radar absorbing material to achieve better performance.Key worlds：RAM；Circuit Analog；FSS；reflection coefficient第一章 绪论 在电磁技术愈演愈烈的二十一世纪，各种以电磁波为介质的设备不断被发明。由此衍生的吸波技术也日益全面，其运用领域涵盖包括军事、民用等。在性能要求方面，我们都希望吸波材料能够尽可能大的对雷达波进行损耗，所

9、以如今吸波材料已经发展到第三代，表面覆盖一层FSS的电路模拟结构凭借着它更优良的吸波功能，受到更多的关注。1.1 雷达吸波材料的发展雷达吸波材料是指能够有效吸入雷达波，使目标回波强度明显降低的一类功能材料。20世纪30年代晚期，也就是雷达发明之后的几年里，吸波材料就被人们所研究。不同的混合材料制成的吸波材料有不同的损耗机理，有些吸波材料还会运用物理光学的原理对结构进行优化。因此吸波材料有各式各样的形状和结构，比如金字塔形、多层结构、单层结构。为了避免雷达波对商业活动的干扰，微波吸波材料已经有许多商业作用，防干扰的会议室和在雷达基地附近的上层建筑等。究根结底，推动吸波材料和FSS发展的根本原因是

10、，日常生活中越来越多的电子设备的使用。在第二次世界大战期间，纳粹德国担心军事潜艇会被雷达侦察出来，研制出一种叫做“Wesch”的铁化合物，厚度有0.3英寸，谐振频率为3GHz。二战之后在1945到1950年期间，通过对材料物理形状的调整，使得带宽较之前更宽，而后逐渐转变成为如今的吸波材料。涂敷层材料是在无外界条件干扰的实验室发明的，微波吸收的磁性材料主要有铁氧化合物、碳化合物等。粘合剂包括各种各样的塑料和陶瓷，而在介质层则采用空气层或者泡沫、纤维来支撑。更多的有损耗带阻材料被研究出来，同时再一个平整的表面附着图案化的电阻片。产生谐振点，最终能够实现在更宽的带宽有更好的吸波效果。1950年到19

11、60年，Sponfe Products Company生产的RAM称之为“spongex”，它是基于碳包覆的动物毛的一种包装。这类材料有2英寸厚，回波损耗强度在2.4GHz到10GHz可以达到-20dB以下。当时还有生产4到8英寸的材料，但是响应频率会相应的往低频移动。基于电路模拟结构是在将电路理论运用到吸波材料后提出的，它替代了传统的由介质层吸波模式转而是由表面对雷达波进行吸收。Severin 和Meyer依据电阻加载回路和电阻箔、电阻加载槽电阻加载偶极子和各方向的电阻材料磁性材料做了一系列实验。证实了基于电路模拟吸波材料在实际生产中的可行性。自此开始了频率选择表面也就是FSS的研发。在19

12、60到1970年代，是对基于电路模拟结构的一种延续，这其中一项重大的理论就是提出可以用铁氧化合物作为吸波材料的衬底。那时提出的金字塔形状的FSS损耗强度达到-60dB，在当时已经是最理想的吸波效果。Jaumann Screen普遍采用钢丝印刷。有趣的是，有一项专利阐述了由放射性物质产生的等离子体作为吸波材料的思想，但考虑到放射物质的负面作用，这种方法没有在实际生产中被采用。在1980年到1990年期间，有人最优化概念，人们通过电子计算机对模型各类数据采用矩阵计算的方法分析各个参数的最优解，使得吸波材料的性能大大的提高，也在那时候Jaumann Screen采用多级结构，吸波带宽也在原有的基础上

13、大为提高。不同的电阻层材料也呈现出不同的最大损耗值。1990年开始科学家们开发出更多的最优化方案，包括遗传算法，导电聚合物和复合材料的发明也进一步让结构的吸波性能大大改善。这类新兴材料的研究过程中，通过电子计算机找到一个具体的RAM参数模型在某个谐振点有明显的损耗能力，是研究过程中最主要的一个步骤。1.2 雷达吸波材料的分类 雷达吸波材料在不同的阶段有不同的类型，发展至今已经有各种各样的人工合成材料。1.2.1 涂敷型雷达吸波材料涂敷型雷达吸波材料，又被称为吸波涂层。它的施工简单，一般在飞行器的强反射部位进行使用，之前介绍过了，它是雷达吸波材料最初的一种。美国空军B1B轰炸机和F19、F21战

14、斗机的机身表面都是采用RAM涂层。日本反舰导弹XSSMI的外表面涂有一层约2.5mm厚的吸波涂层。按吸收剂的不同分类目前较常见的几种涂敷型材料有如下几种： 铁氧体吸收材料：铁氧体吸收材料是一类比较成熟的吸波材料，它的吸收机理是自然共振，且已经成功的应用于隐身技术。铁氧体可以分为尖晶石型、石榴石型、磁铅石型。目前的研究集中在六角铁氧体。 金属微粉吸波材料：金属微粉吸波材料主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等机理，对雷达波进行吸收。常见的金属微粉吸收剂有拨基金属粉末和纳米金属超微粉末如Co、Ni、Ni-Fe等，它们的粒度在20nm到1.5m，采用蒸发、还原、有机醇盐、高能球磨等工艺可以获取。美军F/A1

15、8C/D“大黄蜂”隐身飞机均是采用拔基铁微粉吸波材料 多晶铁纤维吸波材料：多晶铁纤维吸收机理是漩涡损耗、磁滞损耗、以及介电损耗。其材料包括Fe、Ni、Co及其合金纤维，多晶铁纤维具有形状各向异性，粘结剂中多晶铁纤维层状取向组成的吸波涂层可以在宽频带内实现高吸收率，其质量也比传统的金属微粉吸波材料要轻40%到60%。 碳化硅吸波材料：碳化硅吸收剂密度小，耐高温，吸波频带宽。但是常规制备的碳化硅吸收效率不高，并且不能用作雷达吸波剂。必须对其进行进一步处理，目的就是控制碳化硅的电导率，以达到它具有吸波能力的效果。方式可以提高SiC纯度和对其进行有控制的掺杂来达到这一目的。日本之前制备得到纯度极高的S

16、iC粉体，并且该材料在实验测试中表现出优良的吸波能力，在一般环境下，很难制备出高纯度的碳化硅；前苏联通过在碳化硅中掺入适当杂质，也有效的改善了其吸波性能。相比较而言，后者在流程以及难度上要大大低于前者。SINCO陶瓷粉末吸波材料：SINCO粉末是用有机硅聚合物作为前驱体，经过高温裂解得到的黑色疏松体，再经过球磨得到的黑色粉末。因为其成分都含有Si元素如，SiC、Si3N4、SiO2等，所以称之为SINCO陶瓷粉末，又因为SiC、Si3N4 是优良的陶瓷材料，因此备受各国科学家的青睐。1.2.2 基于电路模拟结构的吸波结构1）Salisbury Screen Salisbury Screen是在

17、1952年提出的。它的工作原理是通过阻抗匹配然后产生共振，以达到吸波的作用。但是，与其他谐振吸波材料不同的是，它不是依靠材料本身的电导率和磁导率来达到吸波的目的。Salisbury Screen 的底部是一块理想的导电板，通常来说中间是空气分离层，在离空气1/4个波长的奇数倍的地方，有一层电阻层。也可以用有较强介电常数的金属材料代替空气层。在实际应用中，如要减小介质层的厚度，往往会导致吸波带宽的变窄。在传输线上，在电阻层，通过四分之一传输线理论，我们可以将在理想导体端视为短路，从电阻层一端视为开路电路。这时电阻层的阻抗才是有效阻抗（假如空气层厚度是二分之一波长，那么会再次出现反射的情况）。如果

18、电阻层的阻抗为377ohms/square即与波阻抗相等，在这种情况下，将产生共振。在理想导电板上覆盖一层磁性材料，可以在吸波能力不变的情况下，将材料厚度变薄。在共振产生的衰减强度大于-20dB的频率占到电磁波频率带宽的25%。 Salisbury Screen 的反射率可以计算出来，目前已经被投入生产，最初的结构固定在设计是用有胶合板的框架和胶体石墨涂层帆布将结构固定的。导电聚合物，现在在考虑是否能采用Salisbury Screen技术。利用矩阵光学的方法，结合导电聚合物的物理参数，可以计算它的反射率。如图是Salisbury Screen的结构模型：图1-1 Salisbury Scre

19、en Salisbury Screen的设计方案有很多种。当电阻层与自由空间阻抗匹配时，我们可以根据具体的公式，计算出吸波材料的厚度，公式如下： （1.1） 其中是电阻层的导电系数，导电层可以等效成两个近似的模型：第一个是导电层（1，其中是，d是电阻层厚度）。第二个等效的近似模型是电阻层自身的电损耗对电磁波进行吸收，对于具体的装置，这些等效的近似模型，未必能准确的反应实际的谐振情况，因为谐振频率又可能会有一些偏移，或者会变大。在这里，只是阐述一下利用传输线理论和集总电路分析Salisbury Screen的 思想。电阻层的厚度和电阻层导电率之间呈反比关系。Salisbury Screen在反射

20、系数最小的时候，吸波带宽能够达到最宽。在经过众多科研者的计算下，我们得出电阻层在377ohms/sq阻抗的时候，反射系数最低， 其中电阻层阻抗与反射系数的关系式是， （1.2）其中是最大反射系数，经过分析可以看出，反射系数在0到1之间变化的情况下，表面阻抗是不断减小的。2）Jaumann screen如图：图1-2 Jaumann screen Jaumann screen是在1943年提出的，它的提出主要是为了提高 Salisbury Screen的吸波带宽。最初的Jaumann screen组成是在理想导电板前面等距离处分别设置两层电阻层，中间是空气介质层，由相关的数学推论可以证明，其实这

21、样设置，是为了能够产生两个最小的反射系数，对应的吸波带宽会变宽。 电阻层，之前是设计成石墨组成的，在它的背面，是由酚醛树脂、纤维素化合物、聚醋酸乙烯化合物、聚乙烯泡沫塑料作为衬底的。越薄的电阻层，能使结构的厚度减小同时还能很好的控制阻抗值。一个6层结构的结构可以使频率在7到15GHz的电磁波衰减强度达到30dB。1991年首次有人提出可以使用导电聚合物作为Jaumann screen 的吸波材料。首次对导电聚合物进行吸波性能测试是在1992年。在对电阻层数量的增加后，会使结构的物理参数有所改变，经过调试后最优化的Jaumann screen模型结构得以提出。目前许多具体的吸波模型和实验都会采用

22、Jaumann screen。3）基于电路模拟结构吸波材料在前面两种吸波结构的上表面加上一层基于电路结构的高阻层结构的FSS，使得吸波材料的吸波效果和吸波带宽都有明显改善，并且厚度也有所减小。 1.3 雷达吸波材料的作用机理 雷达是当前世界各国主要的防御工具，特别是对于飞行目标。雷达波具有恒速、定向传播的特点。它是根据回波来确定目标大小和位置，以达到它侦查的目的。下面是雷达探测距离方程： （1.3） 其中：是雷达的探测距离，是比例系数，是雷达散射截面RCS的值。因为k是一个固定的比例系数所以，我们如果要改变雷达的探测距离，只有从散射截面决定的值RCS入手。 由式可知，如果使RCS的值降低到原来

23、的0.1倍，那么雷达探测距离将下降到原来的56%。 如果运用雷达吸波材料对雷达波进行有效吸收，在4G到12GHz内回波损耗达到负10dB那么就能实现飞行器在一定范围内的隐形目的。1.4 降低RCS的常用方式 降低RCS的方法有很多，这里简单介绍一下最常用的两种种，第一种：设计合理的物理形状；第二种：使用吸波材料又是运用的最多的两项。通常来讲，模型的物理形状是对RCS值影响最大，其次的吸波材料，但就目前而言飞行器的物理形状已经很难再有进一步改进以求达到更佳的隐身目的，而在吸波材料的领域则还有很多有待挖掘的前景。传统的设计思想中，模型物理形状是设计者们在考虑减小RCS值的最直接有效的改善途径。模型

24、的各种平台和边缘是对雷达波进行反射的地方。当然这些表面不是都能得到如同之前设计好的反射效果。第二章 雷达吸波材料的作用机理和发展现状雷达是现在探测目标最可靠的方法，发展雷达隐身技术是隐身技术的重点。而不管是涂敷型吸收剂还是基于电路模拟吸波材料其本质都是通过介电损耗或者磁损耗对电磁波进行吸收转化成热能耗散。2.1 雷达吸波材料的作用机理图2-1是多层雷达吸波材料的结构示意图，、（K=1，2，3,，N）代表每一层的磁导率和介电常数与厚度。图2-1 吸波结构示意图由传输线理论可以知道，上图可以变换成图四的等效电路Zin（K）（K=1，2，N）分别是每层的输入阻抗；Zin（0）是第一层吸波材料与理想导

25、电板之间的阻抗。图2-2 等效阻抗各层输入阻抗计算式如下： （2.1）其中Zc（K)是各层特性阻抗，是各层传输常数，并且： （2.2） （2.3）空气与材料之间分界面输入阻抗为： （2.4）雷达波通过阻抗为Z0的自由空间入射到输入阻抗为Zin（N)的界面上。一部分被反射，另一部分进入吸波体。吸波体电压反射系数如下： （2.5）功率反射系数如下： （2.6）通过以上式子的推到，可知，在阻抗层也就是Zin（N)与波阻抗Z0相等时，吸波体对雷达波实现零反射。进入吸收剂的雷达波在吸收剂内通过材料自身的磁损耗和介电损耗，对雷达波进行损耗，最终转化成热能。总结上面的讨论，我们可以知道要使吸收剂的吸收率提高

26、可以从两方面下手，一个是使阻抗层与波阻抗匹配，另一个是增加吸收剂的磁损耗和介电损耗。2.2 雷达吸波材料的主要应用半个多世纪以来，除了美、前苏联以外，英法德日也在研究各式各样的吸波材料。下面简单介绍一下吸波材料在飞机和导弹两个方面的研究现状。1）飞机隐身 （a）F-117A“夜鹰”战机 （b）B-2隐形轰炸机图2-3 隐形飞机示意图 从上世纪六十年代起，美国便已致力于隐身战机的研制，如今已是成绩斐然。F-117隐身飞机复合材料用量占结构总重量的10%其结构遵循“下吸上散”的原则。不但采用独特的外形布局，而且在发动机四周、主翼前缘、垂直尾翼及前部机身等部位的蒙皮大量使用结构隐身材料。机身下表面同

27、样采用了吸波材料。采用了隐身技术的F-117战斗机，其RCS沿方位的平均值是0.1到0.01m2 。F-22 在总体外形隐身设计中，将翼面等带前后缘的结构设计为相互平行的(后/前掠)边缘，使飞机在雷达波的照射下，仅在与某些方位角形成雷达散射截面强散射，然后对翼面结构的前后缘等结构采用先进的宽频、高性能吸波结构复合材料，对这些强散射源进行良好的雷达散射减缩。F-22 的翼面前后缘包括翼面前缘、副翼、襟翼、安定面、机身边条、进气道等均采用了形式各异的雷达吸波结构复合材料，雷达罩还采用了频率选择表面结构。B-2 隐身轰炸机的机翼蒙皮是一种六角形蜂窝夹芯碳/环氧吸波结构材料。机翼外层由多层结构吸波复合

28、材料蒙皮覆盖，机翼前、后缘是连串拇指大小六角形蜂窝夹芯结构，六角形蜂窝网格内填充有磁损耗和电损耗吸波物质，六角形蜂窝夹芯上下为吸波波纹板，机翼蒙皮最外层涂覆磁损耗吸波涂层。机翼前缘下面是锯齿形雷达吸波材料骨架。B-2是大部分使用甚至全部使用复合材料的最大的飞机，它的RCS小于 0.1m2。此外，洛克希德研制的一种复杂的蜂窝结构由七层组成。第一层为浸渍过环氧树脂的玻璃布制成的表面层，第二层到第五层由玻璃布吸收层以及蜂窝吸收层组成，第六层是蜂窝，第七层是薄铝板，层间用环氧树脂连接，这种结构不仅有足够的刚性、强度和耐温性能而且重量轻，适合于飞机的隐身蒙皮。2）导弹隐身 图2-4 隐形巡航导弹在导弹方

29、面，美国的 AGM-129 空射巡航导弹在弹翼、尾翼和弹身蒙皮等部位应用了吸波结构材料；俄罗斯的 X-55 巡航导弹采用了吸波结构弹翼；日本 ASM-1 空舰导弹采用了吸波结构弹翼和稳定舵面。 国外，雷达吸波结构材料的研制已达到产品批量生产状态，例如马可尼公司(GEMC)设计制造的雷达吸波材料。 雷达吸波结构(RAS, Radar Absorbing Structure )、蜂窝吸波构件、吸波胶带、吸波泡沫、雷达罩以及其它织物型吸波结构；并按要求研制磁性和介质型吸波材料，这些吸波材料频率为2GHz18GHz，甚至可达到2GHz100GHz的范围。产品已广泛应用于雷达散射截面减缩和电磁干扰衰减。

30、2.3 雷达吸波材料的研究目前我国对隐身材料方面的研究程度远远低于欧美发达国家，国外在这方面的研究成果不会对外公开。所以很难查看相关技术的顶尖期刊。美国洛克希德公司飞机隐身评估和设计师曾指出：结构吸波材料是达到隐身效果的一个非常有效的手段。我国相关研究部门是在“八五”开始的，主要对蜂窝夹芯结构、吸波结构层合板、纤维混杂板进行了大量研究。相关资料显示，国内一些材料研制单位在利用蜂窝夹芯夹层结构技术平板试验后，取得了不错的吸波效果。对吸波结构的仿真模型，提出了不少的改进方案。比如开发对应的修改介电损耗的。有的部分已经运用在巡航导弹上。但是与国外吸波技术相比，还是相差甚远。有待进一步的研究探索。2.

31、4 吸波材料未来的发展前景由于飞机和导弹的物理特性和使用环境，所以在很多部位都采用雷达吸波材料。在实战中得出的经验也接近预期的实验效果。在1954年，美国把一种称作“铁球”的吸波材料作用在U-2高空侦察机上。自此开启了飞机应用吸波材料的时代。迄今为止，美国已经研制出一系列薄层铁氧体吸波材料。F-19A隐身战斗机、ATB隐身轰炸机还有B-1B，A-7，F-14等飞机。其中B-12轰炸机采用的是碳纤维蜂窝夹层来吸收雷达波。西欧的EFA采用了结构型吸波材料隐身技术。日本AMS-1空对舰导弹尾翼是采用铁氧体玻璃钢。可以预见，在未来的军事领域，将出现更加先进的隐身材料。因为它具有极为诱人的特性，将飞行器

32、置身在雷达眼之中，却还能够进行军事活动。第3章 HFSS仿真软件的介绍3.1 软件界面以及相关功能HFSS(High Frequency Structrue Simulator）仿真软件是美国Ansoft公司开发的。它利所采用的切向矢量有限元法，能求解任意三维射频仿真。并且能够计算由材料引起的介电损耗和反射量。可以直接计算出传播系数、S参数和电磁场、辐射场、天线方向图等物理值。对天线、滤波器、光电器件、环行器、多工器等模型的电磁兼容、干扰、互耦和天线布局都有不错的仿真效果。.图3-1 HFSS软件的操作界面图1）主菜单与工具条 主菜单涵盖了所有关于仿真设计中需要用到的操作，其中有：File、Edit、Project、Draw、3D Modeler、HFSS、Tools、Window、Help的具体功能2）工程树