基于阿基米德螺旋結構的三頻超材料吸收器

馬巖冰，鄭文泉，張宇環，邵曉龍，吳 楠

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

基于阿基米德螺旋結構的三頻超材料吸收器

馬巖冰，鄭文泉，張宇環，邵曉龍，吳 楠

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

超材料吸收器在熱輻射探測、熱成像以及生化物質檢測等方面具有巨大的、潛在的應用價值。針對此應用需求，提出了一種以非頻變結構——四臂阿基米德螺旋為諧振單元的超材料吸收器結構。基于非頻變結構自身的相似性，該型吸收器在4.35 GHz、6.28 GHz和8.76 GHz處存在3個吸收率分別為97.3%、97.3%和97.2%的吸收峰，且由于自身結構具有旋轉對稱性，其還表現出對入射波極化不敏感、吸收效率受入射角度影響小的優異性能。分別采用等效介質理論對所提出的吸收器結構進行分析，并結合測試驗證了這2種理論和實驗數據均具有很好的一致性。

超材料;吸收器;阿基米德螺旋;三頻

0 引言

超材料吸收器概念由波士頓大學的Landy等人于2008年首次提出［1］。超材料吸收器本質上是一種諧振結構，由上層電諧振單元、中間的介質層和下層金屬地板構成。諧振結構可以通過等比縮放自由控制其工作頻段，因此超材料吸收器的工作范圍可以覆蓋射頻、微波、太赫茲以致光波段的寬廣頻譜空間，其在工程上的應用價值主要體現在熱輻射探測［2］、熱輻射成像［3］和生化物質檢測［4］等 3個方面。超材料吸收器良好的頻率適應性和巨大的市場前景吸引了大批科研人員和工程技術人員的關注，近年來，其結構形式的演變也得到了極大加速，大量形式各樣的新穎結構涌現出來，其中包括電場耦合結構［5］、分形結構［6］和各種頻率選擇表面結構［7］等，其發展趨勢是:工作頻帶廣譜化［8］、多頻化［9］、寬頻化［10］，單元尺寸小型化，吸收性能的極化穩定度更高［11］、隨入射角變化的程度更低［12］。本文將四臂阿基米德螺旋這種非頻變結構應用到超材料吸收器中，取得了三頻吸收、極化穩定、受入射角影響小的優異性能，采用了目前流行的等效介質理論和多種干涉理論對該型吸收器進行了對比分析，并結合實驗對其吸收性能進行了驗證。

1 設計仿真與理論分析

1．1 仿真設計

非頻變結構是一種在形式上具有自相似特性的結構，當其結構尺寸與工作頻率按相同比例變化時，其電性能保持不變或變化很小。在工程應用中較常見的包括阿基米德螺旋、等角螺旋、對數周期結構等以及基于這些結構的各種變形體。本文將阿基米德螺旋引入到超材料吸收器的上層諧振結構中，對其在不同入射角下的吸波性能進行了分析。在直角坐標系下阿基米德螺旋線的建構方程:

式中，t、a、r分別為螺旋線轉過的角度、螺旋增長率、螺旋起始點與原點的間距。為了使吸收器在各種入射角下均能表現出良好的吸收性能，需要吸收器在結構上具有旋轉對稱性，因此可將螺旋線以90°旋轉4次得到具有對稱結構的四臂阿基米德螺旋線。基于這種結構的超材料吸收器在HFSS中的仿真模型如圖1所示。

圖1 基于四臂阿基米德螺旋結構的超材料吸收器結構

各項尺寸為:r=0．2 mm，a=0．44，n=3．9，線寬w=0．3 mm，單元周期p=11．5 mm。單元結構處于厚度d=1．2 mm、εr=4．6(1－j0．025)的介質板表面，吸收器下表面的全金屬覆蓋形式使得入射波不能穿透，透射率T(w)= S122=0;以Floquet端口模擬入射和出射波，以主從邊界模擬單元結構的無限周期形式。吸收率的計算公式為:

A(w)=1－T(w)－R(w)=1－ S112。

吸收器的仿真結果如圖2所示，分別在4．35 GHz、6．28 GHz和8．76 GHz處可以觀測到3個吸收率為97．3%、97．3%和97．2%的吸收峰。

圖2 四臂阿基米德螺旋吸收器反射與吸收特性

1．2 等效介質理論

目前，學術界普遍采用等效介質理論或干涉理論［13］來解釋超材料吸收器內在的物理本質。等效介質理論把超材料吸收器視為一種等效媒質，并采用材料屬性ε(ω)和μ(ω)來表征這種媒質。在入射波電場的作用下，吸收器上層周期陣列產生電諧振，其作用等同于等效媒質中的 ε(ω)。入射波同時會在諧振陣列和金屬地板之間產生反平行電流，這種電流所引起的磁響應等同于等效媒質中的μ(ω)。改變諧振單元的結構形式和周期，以及層間距可以達到調整ε(ω)、μ(ω)以實現Z～(ω)/Z0==1(Z0為自由空間特征阻抗)的目的，此時吸收器上表面處的輸入阻抗與自由空間阻抗實現匹配，對入射波的反射率為零，由吸收率計算公式可知，此時在頻率ω處超材料吸收器對入射波實現了完美吸收。將圖2中3個吸收頻率處的反射系數代入式(2):

可得吸收頻率處吸收器的表面歸一化阻抗。如圖3所示，四臂阿基米德螺旋超材料吸收器在其3個吸收頻率處的歸一化阻抗分別為0．76－j0．17、1．15+ j0．33、1－j0．34，都基本實現了與自由空間的阻抗匹配。

圖3 吸收器上表面與自由空間分界面處的相對輸入阻抗

等效介質理論認為超材料吸收器的吸收現象源自于其表面電流的偶極子諧振。如圖4所示，阿基米德螺旋吸收器在第1吸收頻率處的表面電流主要集中分布于上層諧振單元和下層地板的邊緣位置，其分布形式與傳統圓環形吸收器相仿。隨著吸收頻率的升高，地板上起偶極子諧振作用的電流所流經的路徑越來越短，此時可以從圖4(c)和圖4(d)中看出，在第2吸收模式、第3吸收模式下，吸收器的有效諧振區越來越集中于地板中心。

圖4 吸收器上層諧振表面和下層地板表面處的電流分布

2 實驗驗證

該型吸收器采用傳統PCB工藝制備，其上層由約18×18個四臂阿基米德單元組成，中間與地板的隔離層采用介電常數為4．6的FR4介質板，加工實物如圖5所示。

在TE(E→‖Y軸)極化的入射波照射下，入射角由6°變化至60°的過程中，4．32 GHz處的吸收效率減弱的幅度較大，從92．9%減小至54．6%;而位于6．32 GHz處的吸收峰其吸收率在 60°時仍保持86．4%的較高水平;8．72 GHz處的吸收效率的變化趨勢相似于第一吸收峰，入射角度對吸收效率有較為明顯的減弱作用，吸收率從6°時為93．7%，而在60°時僅為68．8%。當入射波為TM(E→‖X軸)極化時，吸收率隨入射角的變化在3個吸收峰處的變化都不明顯，在60°時都仍保持著較高吸收率，分別為91．7%、86．1%和92．5%。

圖5 超材料吸收器測試樣品與局部放大

TE極化和TM極化測試結果與仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6TE極化

圖7TM極化

從圖6和圖7中可以看出，測量結果與仿真結果之間取得了很好的一致性。

3 結束語

本文設計、分析和測試了一種基于四臂阿基米德螺旋結構的新型超材料吸收器，其在性能上表現出三頻吸收、對入射波極化不敏感、吸收率隨入射角度改變不明顯等優異性能。該型吸收器的三頻吸收性能源于阿基米德螺旋的自相似結構，在太赫茲成像領域，這意味著相同尺寸上將獲得更多的像素點，使得多譜成像系統的信息提取能力得到極大增強。采用等效介質理論分析了該型吸收器在其吸收頻率處的表面阻抗，并指出其三頻吸收特性源自于表面電流在不同諧振區域的偶極子諧振。雖然設計的吸收器工作于微波頻段，但由于這種結構具有諧振性，通過尺寸縮比可以使其工作于太赫茲以致光波頻段。

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［9］ 劉亞紅，方石磊，顧 帥，等．多頻與寬頻超材料吸收器［J］．物理學報，2013(62):134102．

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Triple-band Metamaterial Absorber Based on Archimedes Spiral Curves

MA Yan-bing，ZHENG Wen-quan，ZHANG Yu-huan，SHAO Xiao-long，WU Nan

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China)

Metamaterial absorber(MA)has great potential application value in thermal radiation detection，thermal imaging and biochemical substance detection．The paper presents a triple-band MA，which is composed of periodically arranged Archimedes spiral curves array and a metal ground separated by a dielectric spacer．Based on the self-similarity characteristic of the frequency-independent structure，three absorption peaks can be observed at 4．35 GHz，6．28 GHz and 8．76 GHz with absorptivity of 97．3%，97．3%and 97．2% respectively．Due to its rotationally symmetric pattern，the presented MA is insensitive to the polarization of the incident waves and can perform well at a wide range of incident angles．The effective medium theory has been employed to investigate the underlying physical mechanism of the fractal MA，and good agreements between simulation and experimental results have been achieved．

metamaterials;absorber;archimedes spiral;triple-band

TN015

A

1003－3106(2017)02－0061－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．15

馬巖冰，鄭文泉，張宇環，等．基于阿基米德螺旋結構的三頻超材料吸收器［J］．無線電工程，2017，47(2):61－64．

2016-11-09

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA034102);國家自然科學基金資助項目(61371053，61271038，51472042)。

馬巖冰男，(1979—)，博士，工程師。主要研究方向:天線與射頻電路。

鄭文泉男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向:天線與射頻電路。