Fan He, Kaixuan Si, Rui Li, Dace Zha, Jianxiong Dong, Ling Miao, Shaowei Bie*, Jianjun Jiang*, Broadband Frequency Selective Surface Absorber with Dual-Section Step-Impedance Matching for Oblique Incidence Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation , 2021(in press).

一、研究背景：

频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）吸波体作为一种新型吸波材料，在电磁隐身技术中发挥着重要的作用。目前国内外对于垂直入射下的FSS吸波结构有了广泛的研究，但实际情况下电磁波均是以一定角度斜入射到吸波体表面，因此设计并制备一种斜入射稳定的宽带FSS吸波结构具有重要的应用价值。

二、工作介绍

近日，华中科技大学江建军教授团队受到Munk教授的单级阻抗匹配FSS吸波体的启发，设计出了一种新型的双节步级阻抗匹配频率选择表面结构。结构示意图如图一所示，该结构是由三部分构成的：底部的基础的FSS吸波体，中部的单级阻抗匹配层，以及顶部的双级阻抗匹配层。相较于Munk教授的单级阻抗匹配层，双级阻抗匹配层能提供更好的阻抗匹配效果，实现宽带强吸收的目的。

图一：双节步级阻抗FSS吸波结构示意图

图二：传输线模型图

但上述设计只针对垂直入射有很好的吸波效果，随着不同极化下入射角度的增加，吸波结构会出现很多我们不期望的电磁特性，诸如：反射率的恶化，高次模的激发以及栅瓣的出现。为解决这一问题，作者给出了满足三种入射情况下的传输线模型（垂直入射、TE45°、TM 45°），传输线模型图如图二所示。利用传输线模型，可以快速获取三种入射情况下的反射率性能，三种入射情况的传输线模型并不是独立的，当确定了其中一种传输线模型后，另外两种模型也可以立刻得到。基于此便可以快速获得预期的反射率性能以及介质的介电常数和厚度。性能如图三所示。

图三：优化得到的不同入射情况下的反射率性能

设计完成后，作者发现了一个棘手的问题。优化得到的其中两层介质的介电常数很低，为1.4和1.7。这种介质每立方米的售价高达上万美元，高昂的价格使得作者不得不考虑其他的方案。幸运的是，吸波蜂窝结构在目标频段内具有很好的均质化特性，而且蜂窝结构本身也具有非常高的结构强度质量比，是承载型结构的不二之选。以此为灵感，作者利用吸波蜂窝，将其等效为低介电常数的介质，制备并实现了预期的吸波性能，结构如图四所示。

图四：结构实物图

三、工作总结

作者所提出的双节步级阻抗匹配频率选择表面结构，具有非常好的宽带宽角吸波特性。值得一提的是，这种设计思路可以延伸至三级甚至多级阻抗匹配，从而实现更优的吸波性能。这也使得频率选择表面吸波结构在隐身领域具有更好的应用前景。

F. He, K. Si, R. Li, D. Zha, J. Dong, L. Miao, S. Bie, J. Jiang, Broadband Frequency Selective Surface Absorber with Dual-Section Step-Impedance Matching for Oblique Incidence Applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation , 2021(in press).

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：何凡，2017年获武汉理工大学材料科学与工程学院学士学位。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。主要研究方向为雷达吸波材料、频率选择表面。

第一作者：司凯旋，2019年毕业于华中科技大学电子科学与技术专业，获工学学士学位。 他目前在武汉华中科技大学攻读博士学位。主要研究方向为雷达吸波材料、频率选择表面。