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基于ENZ隧穿波导的超薄频率选择性吸/透波结构研究

摘要

随着雷达技术的飞速发展，军事平台对于降低天线雷达散射截面(RCS)提高雷达隐

身性能的需求逐步升高。传统的频率选择表面(Frequencyselectivesurface,FSS)，仅能实

现单站RCS的降低，无法实现全方位的隐身。吸透一体频率选择表面(Frequency

selectiveRasorber,FSR)，不仅可以在天线工作频段低插入损耗的透射，而且可以吸收

工作频段之外的电磁波，实现多站RCS的降低。现有的三维FSR结构，都难以实现超

薄结构，无法满足雷达隐身天线罩对于结构轻薄的需求。本文针对三维FSR的厚度问

题展开研究，主要的工作分为以下几个部分：

（1）首先介绍了FSR结构的分类，以及国内外优秀学者的研究现状。分析了现有

结构的优势和不足，现有的三维结构选用平行板波导作为透射通道，平行板波导的透

射频率与电磁波传播方向的长度相关，所以在频率一定的情况下厚度无法压缩。为了

解决这一问题，本文引入了介电常数近零(Epsilon-Near-Zero,ENZ)隧穿波导作为透射通

道，其透射频率仅与波导的宽度相关，电磁波传播方向的长度理论上可以压缩至无限

小。

（2）为了提升FSR结构的吸收效果，拓宽吸收频段的带宽。本文设计的吸收通道，

都是基于铁氧体材料，不仅可以实现宽带吸收，而且在结构的厚度方面也更有优势。

本文设计的第一个结构整体厚度仅为0.108λc(λc为透射频率在自由空间中的波长)，在

5.3GHz处的透射性能良好，插入损耗为1.05dB，透射带的-3dB的相对带宽为35.7%，

透射带两侧的吸收率分别为42.3%和45.1%。并且没有引入任何集总元件以及FSS结构，

设计简单且加工方便。通过等效电路模型分析了该结构的工作原理，并且进行了加工

和测试，验证了设计方案的可行性。在该结构的基础上设计了双频以及双极化结构，

为三维吸透一体结构提供了新的设计思路。

（3）基于ENZ隧穿波导结构在厚度上的巨大优势，本文又提出了第二款结构更薄

的三维FSR结构。第二个结构对吸收通道进行了重新设计，将铁氧体材料分成两部分

放在吸收通道的上下两侧，拓宽了铁氧体材料的吸收带宽。为了降低透射频段的插入

损耗，在吸收通道之前设计带阻结构。最终，第二个结构的插入损耗仅为0.36dB，高

频的吸收带宽达到了91.8%，整体结构的厚度更是压缩到了0.075λ。通过等效电路分

c

析了该结构的工作原理，并且选用平行板波导法进行了测试，最终的实验结果与仿真

结果基本一致。

总体上，本文首先设计了一款基于隧穿波导的三维超薄FSR结构，在其基础上进

行改进，又设计了第二款性能更好的FSR结构，在吸收通道前面添加了带阻结构，将

透射频段的插入损耗减小到了0.36dB，吸收带宽也明显增加。两款设计均进行了实物

加工，测试结果与仿真结果基本一致。

关键词：频率选择表面，介电常数近零的隧穿波导，超薄，铁氧体吸波材料

StudyonUltra-thinFrequencySelective

Absorptive/TransmissiveStructuresBaseonENZ

TunnelingWaveguides

Abstract

Withtherapiddevelopmentofradartechnology,therequirementofreducingradarcross

section(RCS)toimproveradarstealthperformanceisincreasing.Frequencyselectivesurface

(FSS)canonlyre