電磁超材料吸波器的相關研究

羅婷　高勝凱

【摘要】 電磁超材料吸波器是基于超材料的電磁諧振吸收器，通過合理設計器件的物理尺寸及材料參數，能夠與入射電磁波的電磁分量產生耦合，從而實現對入射到吸收器的特定頻帶內的電磁的吸收。隨著科學的發展，電磁超材料吸波器應用于越來越多的領域，本文分類介紹了吸收器的結構和性能特點，最后對齊發展趨勢作了探討。

【關鍵詞】 超材料 吸波器 電磁

一、極化不敏感及寬角度入射型吸收器

西北工業大學趙曉鵬等人設計的一種具有分形結構的超材料吸收器，采用電路板刻蝕技術，在厚度為0.8mm的環氧酚醛玻璃纖維PCB基板的一面上刻蝕出金屬樹枝狀結構單元陣列，另一面為金屬薄膜。金屬樹枝的三級分支長度分別為1.2mm、0.9mm、0.8mm，單元晶格間距為10.0mm。實驗結果顯示吸收率達到99.88%。

上述吸收器在參數優化設計之后獲得了比較高的吸收率，但是對于不同角度入射的電磁波，其吸收率就未必能達到預想的效果。為了能更大限度地發揮超材料吸收器的應用價值，林先其等人設計了一種可以實現寬角度入射電磁波超材料吸收器。

該吸收器包括周期性排列的單元吸波結構每個單元結構包括介質基板的正面金屬結構、介質基板的背面金屬結構和介質基板。其中，介質基板的正面金屬結構由2條相同且中心相互交叉的“直線形”第一金屬分支線構成，所述2條第一金屬分支線之間的夾角均為90度；所述每條第一金屬分支線的兩端均具有與該條第一金屬分支線相切連接的“弧線形”第二金屬分支線；所述第二金屬分支線之間形成一個具有4個相同缺口的圓環。

試驗結果顯示，在11.2GHz附近，|S11|有明顯吸收峰，|S21|在相對帶寬很大的范圍內都能小于-18dB，即反射和透射都很小，實現了很好的電磁波吸收，在0-45度范圍內，入射角的變化對結構吸波效果影響不大。

二、雙頻及多頻吸收器

東南大學的崔鐵軍教授提出了一種多頻段微波吸收結構，包括多個環狀的人工電磁材料1、金屬背板3和安裝在人工電磁材料1和金屬背板3之間的介質基板2，多個人工電磁材料1相互嵌套且同心安裝，具有結構緊湊等優點。通過改變人工電磁材料1的個數和通過調節人工電磁材料1內環與外環周長的比例，可以實現在設計頻段內多頻段的完美吸收。

此外，由于人工電磁材料1的形狀為沿水平方向及垂直方向均對稱的多邊形或圓形，多頻段微波吸收器在不同極化下的大角度斜入射波均有良好的吸收效果，此特點使得其在實際應用下有更大的發展前景。

實驗結果顯示：該雙頻段微波吸收器在4.06GHz和6.66GHz分布呈現99.6%和95.8%的吸收率；在入射角達到50度時依然保持83%以上的吸收率。該雙頻段微波吸收器在4.06GHz、6.73GHz以及9.22GHz呈現99.1%、93%以及95%的吸收率；在入射角達到50度時依然保持90%以上的吸收率。

三、寬頻吸收器

寬頻段吸收器也是一直研究的熱點，深圳光啟高等理工研究院提出了一中寬頻帶吸波材料，由多個阻抗均勻的超材料片層3沿垂直于片層表面方向堆疊形成，可以通過調整每一超材料片層3所附著的人造微結構2的圖形和幾何尺寸使每一超材料片層3的等效介電常數ε與等效磁導率μ相等進而滿足阻抗匹配特性。

進一步的根據入射電磁波的頻率段設計各超材料片層3所附著的人造微結構2的諧振頻率，使得入射的各個頻率段的電磁波與不同超材料片層3的人造微結構2產生電磁共振，此時射入吸波超材料的電磁波被不同的超材料片層3吸收，實現了較完美的吸波效果。吸波超材料的各個超材料片層3附著有不同圖形和幾何尺寸的人造微結構2以實現對不同頻率段的電磁波進行吸收。

四、可調諧型吸收器

超材料吸收器的發展已經取得了一定的進展，但仍有不足，例如，開口諧振環的尺寸一旦固定，吸收頻率就不可調了，所以，可調諧型完美吸收器也受到了大家的關注，電子科技大學的文光俊等人提出了一種基于亞鐵磁體的可調諧負磁導率超材料，三頻負磁導率超材料單元結構置于波導中，波導沿z方向設置為電壁，沿x方向設置為磁壁，沿y方向為入射電磁波的傳播方向。通過對單環雙磁諧振環加載亞鐵磁體，可簡單實現三頻負磁導率電磁超材料，并且該三個負磁導率工作頻段能隨外加直流磁場改變而產生頻移，拓寬了三頻負磁導率的工作頻帶。

五、結語

綜上所述，電磁超材料吸收器取得了巨大的發展，也存在不足，如各向異性、帶寬較窄等，另外，在性能上也很難達到100%的吸收。未來，超材料吸收器在寬頻吸收、可諧型吸收器以及與功能結合的方向有望得到進一步發展。

參 考 文 獻

[1] “電磁超材料吸收器的研究進展”，趙碧輝，《電子元件與材料》，2011年11月，第11期第30卷

[2] “雙波段超材料吸收器”，沈曉鵬，《2011年全國微波毫米波會議論文集》，2011年