基于超材料的多波段吸收器設計

葉晟寅 劉菲 劉明鑫

摘 要：設計了一種基于超材料的微波多波段吸收器。吸收器主要由多金屬閉合環周期性陣列構成。利用電磁仿真軟件進行了仿真設計與分析，吸收峰的個數主要取決于閉合環的個數；吸收峰的頻率則主要取決于閉合環的尺寸。所設計的多波段吸收器可應用于測輻射熱儀、頻譜成像等領域，并由于其波段個數與頻率的可控性大大提高了應用的靈活性。

關鍵詞：吸收器；超材料；多波段

中圖分類號：TN817 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0043-02

1 引言

微波吸收器可吸收一定頻率的電磁波，達到“隱身”的效果，被廣泛應用于頻譜成像、測輻射熱儀等領域，從而引起廣泛關注[1]。超材料作為一種基于自然物理性質的人工復合結構，具有零損耗的優點，因而成為制作微波吸收器的首選材料。多波段微波吸收器可以同時吸收多個頻率的電磁波，從而具有較大的應用靈活性。近年來，對于基于超材料的多波段微波吸收器被廣泛研究。2010年，程用志等人提出了圓環結構電磁吸收材料，對于垂直入射的激勵波能夠產生極高的吸收率[2]。2012年，沈曉鵬等人在研究基于超材料的雙波段微波吸收器時，所設計的雙波段吸收器的吸收率可達到99.60%和95.83%[1]。隨后在2013年，劉亞紅等人設計了多頻和寬頻超材料吸收器，這種吸收器可以通過調節圓片與圓環的尺寸、結構、以及材料來控制吸收器的多頻和寬頻吸收[3]。而后，馬巖冰等人提出了基于科赫分形的新型超材料雙頻吸收器，這款吸收器比傳統的正方形吸收器尺寸縮小了17.6%，使得效率與靈活性大大提高[4]?；诖?，本文設計了一種基于金屬閉合環超材料的微波多波段吸收器，其結構簡單，波段可控，制備方便，使用靈活。

2 吸收器設計

吸收器主要由多金屬閉合環周期性陣列構成。如下圖1所示，三金屬閉合環結構單元如下圖1所示。吸收器有上中下三層組成，最下層為金屬銅背板，電導率約為δ=5.8 *107s/m，高度為T2=0.2mm，長寬均為L4=20mm；中間層為FR4介質板，介電常數為ε=4.4，損耗正切為tanδ=0.02，高度T1=1.0mm，長寬均為L4=20mm；上層是3個金屬銅閉合環結構，高度為T2=0.2mm，金屬環的寬度分別為W1=W2 =W3=1.0mm，長度分別為L1=9.5mm，L2=7.0mm，L3=5.0mm。電磁波信號垂直于閉合環平面由上向下入射。

3 仿真及理論分析

采用電磁仿真軟件進行仿真分析[5]，圖2給出了吸收器的吸收率曲線?？梢钥闯觯?GHz-12GHz電磁波段內，三環閉合回路結構可以實現三波段吸收峰：分別在4.9GHz出現第一個峰，7.3GHz出現第二個峰，10.1GHz出現第三個峰，其吸收率均可達到40%以上。通過分析吸收器上下兩層金屬銅的表面電流分布，可以得到：一方面入射電磁波激發結構單元內上層三個銅閉合環的電偶極子響應；另一方面，在上層閉合環與下層背板上產生了反向電流引起磁諧振。電響應與磁響應的共同作用使得吸收器在多個波段內實現與自由空間的阻抗匹配，從而得到三波段吸收峰。

然后，為了進一步驗證各個閉合環與吸收峰的相互關系，我們進行了以下設計與計算：依次刪除環1、環2、環3，并計算其相應的吸收譜，如圖3所示。當刪除其中任一個閉合環時，都只能夠得到雙波段吸收峰。并且，環1對應峰1，其頻率約為5GHz；環2對應峰2，其頻率約為7GHz右；環3對應峰3，其頻率約為10GHz。每個吸收峰頻率的細微變化是由于各個閉合環之間具有較小的相互作用，即各個閉合環的電偶極子模式之間存在微小的模式雜化。雜化程度取決于閉合環之間的距離，距離越小，模式雜化越明顯。但總而言之，可以推斷得到：吸收峰的個數是可控的，其取決于金屬閉合環的個數；且閉合環長度越小，吸收峰頻率越高。

最后，進一步研究了閉合環寬度對吸收峰的變化規律的影響。我們固定最外環（1環）的寬度W1、中環（2環）的寬度W2、以及內環（3環）的長度L3，僅僅依次改變內環（3環）的內徑，使得內環（3環）的寬度W3分別為0mm，0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，其吸收譜如圖4所示。分析對比數據結果可知：吸收器中吸收峰的波段可由閉合環的尺寸大小來控制調節，即隨著閉合環寬度的增加，吸收峰的頻率依次增大，且吸收率依次增加。并且，5GHz與7GHz處吸收峰無明顯變化，這更進一步說明了這兩個波段分別取決于最外環（1環）和中環（2環）的尺寸。

4 結語

本文設計了一種基于金屬閉合環超材料的微波多波段吸收器。由計算結果可知吸收峰的個數可由閉合環的個數控制，閉合環的個數越多，吸收峰的個數越多；吸收峰的頻率和大小可由閉合環的寬度決定，環的寬度越大，吸收峰的頻率越高，吸收率越大。所設計的多波段吸收器可應用于測輻射熱儀、頻譜成像等領域，并由于其波段個數與頻率的可控性大大提高了應用的靈活性。

參考文獻

[1]沈曉鵬，崔鐵軍，葉建祥.基于超材料的微波雙波段吸收器[J].物理學報，2012，（05）：467-471.

[2]程用志，肖婷，楊河林，肖柏勛.圓環結構人工電磁吸波材料的仿真與實驗研究[J].物理學，2010，（08）：5715-5719.

[3]劉亞紅，方石磊，顧帥，趙曉鵬.多頻與寬頻超材料吸收器[J].物理學報，2013，（13）：220-227.

[4]馬巖冰，張懷武，李元勛.基于科赫分形的新型超材料雙頻吸收器[J].物理學報，2014， （11）：322-328.

[5]李明洋，劉敏. HFSS天線設計（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2014.