电阻加载的频率选择表面的特征模分析：理论研究和实验验证

Dace Zha, Jianxiong Dong, Kaixuan Si, Zhaowang Cao, Rui Li, Fan He, Ling Miao, Shaowei Bie*, Jianjun Jiang*, Characteristic mode analysis of resistor-loaded frequency selective surfaces: theoretical research and experimental verification. Journal of Applied Physics, 2021, (inpress).

一、研究背景

频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）是一种空间滤波器，被广泛应用于雷达隐身和电磁屏蔽等领域。电路模拟吸收体由有耗频率选择表面、隔离层和金属接地面构成，目前针对电路模拟吸收体性能提升的研究主要是围绕有耗频率选择表面进行的。用于有耗频率选择表面设计的单元结构有多环结构、分形结构、像素化图案和风扇形结构等，同时也有针对不同电阻加载方式的研究，不同吸波性能的差别也通过等效电路进行了解释。负载电阻是如何影响频率选择表面的电磁散射特性，这个问题还没有被深入的研究。

二、工作介绍

近日，华中科技大学江建军教授团队在Journal of Applied Physics发表了题为《Characteristic mode analysis of resistor-loaded frequency selective surfaces: theoretical research and experimental verification》的研究论文，基于周期矩量法和特征模理论详细地研究了电阻加载的频率选择表面的模式行为和频率特性。在论文中，作者对不同负载电阻情况下反射系数的观察发现，随着负载电阻的增加，频率选择表面的谐振频点逐渐向高频移动，通过对每一个模式的模式电流和模式反射系数分析知道，这个现象是由于高阶模引起的。为了减弱高阶模对频率选择表面谐振频点的影响，作者提出了多点加载电阻的方法。为了验证该方法，作者设计了一种高吸收率的电路模拟吸收体，在1.92 GHz到3.99 GHz频率范围内实现了-18 dB的吸收性能。该实验证明间接证明了多点加载方法可以灵活地调控频率选择表面的等效阻抗，而不必担心负载电阻的负面影响。

图1：加载1个电阻的情况，谐振频点项高频移动

图2：基模和高次模的模式反射系数

图3：加载3个电阻可以明显改善高次模的影响

图4：加载1个电阻和加载5个电阻的电路模拟吸波体结构示意图

图5：测试与仿真对比

四、作者简介

通信作者：江建军教授，博士生导师。1995年毕业于中国杭州浙江大学，获博士学位。 1997年至1998年在韩国科学技术高等研究院(KAIST)做博士后。 1998年至1999年，以色列理工学院(Technion Israel Institute of Technology)博士后。1999年至2000年，任赫尔辛基工业大学高级访问学者。2001年起任华中科技大学光学与电子信息学院教授。他是智能电子研究所的负责人。主要研究方向:频率选择表面分析与设计、智能雷达吸波材料和频率选择吸波材料的设计与机理、雷达截面缩减、有源元件建模、吸波材料的制造与应用。他撰写/合著了230多篇文章和三本学术专著。 

通信作者：别少伟副教授，博士生导师，1998年毕业于西安理工大学，获理学学士学位，2008年毕业于华中科技大学，获凝聚态物理学博士学位。2012年以来，他担任华中科技大学光学与电子信息学院副教授。目前主要研究方向为人工电磁结构、频率选择表面、雷达吸波材料、天线阵列和电磁兼容。 

第一作者：查大册，2016年在武汉理工大学理学院获得理学学士学位，他目前在华中科技大学攻读微电子学和固体电子学博士学位，主要研究方向为频率选择表面和特征模理论的应用。