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孔祥林，赵雷：中国矿业大学
刘佳琪，宋杭，张生俊：试验物理与计算数学国家重点实验室
孔祥林，赵雷，刘佳琪，宋杭，张生俊. 基于多机制协同设计的低频超宽带波段吸波体. 中国科学: 信息科学, 2024, doi: 10.1360/SSI-2024-0175
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伴随着人类对超低频（如P波段）频谱资源的利用，传统的吸波材料的局限性被放大，比如吸波效果只在一定频率范围内有效，或需要增加材料的厚度才能达到理想的吸波效果，已经不能满足超低频、超宽带的隐身需求。由于在吸收超长波长电磁能量的同时，需要考虑超宽带频率范围内的阻抗匹配特性，设计一种超低频宽带吸波体，尤其是P-Ku波段的吸波体具有重要研究意义。![]()
图1 (a)吸波体的物理模型及其(b)等效电路模型，(c)磁性材料和磁性吸波体的反射系数对比，设计的混合吸波体的(d)物理模型及其(e)等效电路模型，(f)磁性吸波体和混合吸波体和补偿层的反射系数对比
为了解决上述问题，提出了一种基于多机制协同的设计方法，通过结合磁性材料和阻性表面的损耗特性，并联合等效电路模型和遗传算法实现快速阻抗匹配和参数优化，实现P-Ku 波段低频宽带吸波体设计。本文理论分析了磁性材料降低吸波体厚度和提升低频吸波性能的机制，通过磁性材料和阻性表面协同设计，实现P-L 频段内优异吸波效果。进而，通过多层阻性表面级联结构补偿S-Ku 波段内的吸波性能，实现P-Ku 超宽带高性能吸波体设计。(1) 提出一种多机制协同的设计方法，通过结合磁性材料和阻性表面的损耗特性，实现低频超宽带吸波体设计；(2) 设计的低频超宽带吸波体在0.33-18 GHz 内可以实现90%以上的吸收效果；(3) 设计的低频超宽带吸波体具有剖面低特性，相对厚度仅为0.027λL (λL为最低频率处波长)； (4) 设计的低频超宽带吸波体具备宽角度稳定特性, 在45° TE 波和60° TM 波斜入射下依然保持良好的吸波性能。
在微波暗室中, 使用弓形法测试吸波样品. 在图2(a) 中, 采用两对宽带喇叭天线连接矢量网络分析仪作为发射器和接收器, 记录测试数据。在测试中, 天线与样品之间的距离需要满足远场条件, 采用与吸波样品相同尺寸的金属板作为参考板, 对吸波样品的反射率进行归一化处理. 图2(b) 和(c) 显示了设计的吸收器在1-18 GHz 内TE 极化和TM极化斜入射时的反射率测量曲线。在60° TM 极化入射条件下, 其反射率可保持在-10 dB 以上; 在45° TE 极化入射下, 其反射率可保持在-8 dB 以上, 表明它具有斜入射角稳定性。测量结果与仿真结果一致, 由此推断, 在0.3-1 GHz 范围内, 测试结果与仿真结果一致。![]()
图2(a) 远场测试装置与制作的吸波体样品, (b)TE 极化和(c)TM 极化斜入射下的测试的反射率曲线
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