平面電磁波用匹配電阻薄膜全吸收的理論模型

尚學府，王亞偉，紀玉金，李建玲，王 健

(江蘇大學理學院，江蘇鎮江 212013)

吸收和屏蔽電磁波的干擾已經成為商業和軍事中非常重要的研究課題[1]。隨著近年來電子和軍事通信中密密麻麻的敏感的電子設備和系統的使用，電磁干擾屏蔽的研究受到越來越多的關注。隱身技術是最典型的對電磁波吸收技術的應用。隱身技術可分為2種方法：一種是形狀優化的方法，減少探測飛機或軍艦的雷達橫截面，使入射電磁波產生的反射波最小，從而躲避雷達探測；另一種是調整電磁波吸收材料或結構[2]。在早期階段，研究人員主要精力集中在雷達橫截面減縮和雷達吸波材料的發展方面，但目前雷達吸波結構的研究逐步成為關注的熱點[3-6]。

筆者提出一種電阻薄膜-介質層-全反射導體膜結構，該結構可以完全吸收指定波長入射平面電磁波，因此對完全吸波結構的研究具有重要意義，研究結果能對特殊功能材料的研究提供理論依據。

1 平面波電磁場的表達

沒有自由電荷的麥克斯韋方程組：

(1)

其中(對于非鐵磁材料):

(2)

假定電磁波傳播方向沿Z軸，則有電場E方向平行于X軸，表示為Ex(z)，而磁場H方向平行于Y軸，表示為Hy(z)。Ex(z)，Hy(z)分別用復數表示為

(3)

將式(3)代入式(1)麥克斯韋方程組，得

(4)

在真空中σ=0,ε=ε0，所以，由

(5)

可得

(6)

式中，“±”代表傳播方向，取“+”代表傳播沿Z軸正方向，取“—”代表沿Z軸反方向。

對于沿Z軸正方向傳播的平面電磁波，設入射波長為1 cm，則ω≈1.88×1011s-1，k0≈0.627×103m-1，其真空波阻抗為

(7)

2 電阻薄膜中的電磁場

如圖1所示，設薄膜垂直于Z軸，金屬電導率σ一般大于106Ω-1·m-1，這里采用較高阻材料，σm≈105Ω-1·m-1，且ε≈ε0。則麥克斯韋方程組可表示為

(8)

圖1 電阻薄膜結構示意圖Fig.1 Resistance membrane structure diagram

若真空入射波長為1 cm，則

(9)

因此如果k1取正號，電阻薄膜層中的電磁場應為

(10)

如果設薄膜厚度為d，使其電阻與真空阻抗相匹配，則1/(σmd)=377 Ω，可得d=2.7×10-8m=27 nm。

3 電磁波在電阻薄膜中全吸收的可能性

薄膜中電磁場可以由沿Z軸正反兩方向傳播波的線性組合表示為

(11)

(12)

將式(12)代入式(11)就可以得到薄膜中的電磁場分布。

考慮到k1z的虛部及實部數值均小于3×10-3，故可作如下近似：e±ik1z?1±ik1z，可得

如果薄膜下面的材料分布可以保證薄膜的底面(z=d處)，εx≠0,Hy=0，則無反射(全吸收)。如果不能保證，則上面假設z=0處無反射不能成立，將出現反射波。

筆者提出一種可以滿足上述條件的理論模型(見圖2)，即在薄膜底面以下波長處放置全反射金屬膜。在金屬反射面上，反射波與入射波的電場方向相反(總ε(2)=0)，而磁場同向(總H(2)≠0)。造成在z=d處，ε≠0,H=0(或稱波阻抗z→∞)。

圖2 平面電磁波無反射匹配電阻薄膜模型Fig.2 Total absorption of a plane electromagnetic wave by a matching resistive film model

4 結論

與真空波阻抗匹配的電阻薄膜，只要背面襯以λ/4厚度的無損耗介質，底部有全反射導體膜，即可保證全吸收入射電磁波，這對紅外輻射計和隱身材料均適用。

這種電阻薄膜-介質層-全反射導體膜結構是一種新型的完全吸波材料結構理論模型。由于該模型對于相應波長的入射電磁波具有完全吸收特性，所以特別適用于輻射計等對單色吸收有較高要求的器件。隨著吸波材料和薄膜加工技術的發展，該結構將會具有越來越大的應用前景。

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