基于有源超材料的可調超薄雷達吸波體研究

黃金國，郭 宇，趙治亞，李 雪，邢明軍，謝鎮坤

(1深圳光啟高等理工研究院，廣東 深圳 518000；2深圳光啟尖端技術有限責任公司，廣東 深圳 518000；3中航工業沈陽飛機設計研究所，沈陽 110035；4超材料電磁調制技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518000)

隨著現代微波電子技術與現代雷達技術的飛速發展，電磁波輻射對環境的影響日益增大。在繼噪音污染、空氣污染、水污染之后，電磁波污染已被世界衛生組織列為威脅人類生存的第四大公害[1]。為了防范電磁污染的危害，利用吸波材料吸收電磁波已成為防治電磁污染最為有效的途徑[2]。同時，在軍事領域，隨著探測技術的發展，利用吸波材料實現目標隱身對提高武器系統的生存能力有著重要的意義[3-4]。民用電磁防護愈發引起重視，同時軍用雷達探測技術的不斷更新換代，兩方面都對吸波材料提出了越來越高的要求。目前，吸波材料主要朝著超薄、低頻、可調、極化不敏感等方向發展。超材料是一種特種復合材料，通過對材料關鍵物理尺寸進行有序結構設計，使其獲得常規材料不具備的超常物理性質[5]。利用超材料技術實現高效電磁吸波，為吸波材料的研究提供了一個全新的思路。通過設計超材料的基礎材料組成、周期單元形狀和排列方式，能夠根據需要獲得相應的諧振特性[6-7]。超材料吸波體通過阻抗匹配和衰減特性實現對雷達波的吸收[8-11]。與外界環境的阻抗匹配可以使入射電磁波在超材料吸波體表面的反射最小，從而盡可能多地進入結構內部；通過高效衰減特性使進入超材料吸波體中的電磁波快速衰減而轉化為熱能。

目前，獲得應用的超材料吸波體均為無源的，設計、制備一旦完成，其頻率響應和吸收特性就被固定，也就是說，此類吸波體不具備可調諧性。由于有Rozanov效應(帶寬與厚度比極限)限制[12]，無源吸波體的性能難以完全滿足未來的應用需求。近年來智能超材料引起了眾多研究者的興趣[13]，主動/有源智能超材料吸收體可以突破Rozanov限制，有望進一步拓寬超材料吸收體的應用范圍。實現主動/有源吸波的方法有多種，歸納起來主要有以下4類：(1)引入PIN二極管[14-16];(2)引入變容二極管[17];(3)機械調節[18];(4)利用材料本身電磁參數可調的特性[19-21]。例如，Tennant等[14]選擇PIN二極管作為可控元件，設計了領結型有源頻率選擇表面(frequency selective surface，FSS)雷達吸收體。經測試，該有源FSS吸波體對9～13GHz內的垂直極化平面波實現了吸波特性的可調，該成果主要實現了反射率幅值的電流控制，而諧振點或吸收頻段的可控遷移效果并不明顯。Xu等[17]利用半圓形和三角形組合式微結構在微波段產生1個吸收峰，通過在半圓形和三角形之間嵌入可變電容實現吸收峰位置的電調控。但是該設計方案的缺陷是，微波吸收只針對1個極化有效。王連勝等[19]在超材料吸波體中加入電流變液，通過改變電流變液外加電場的強度實現了超材料吸波體吸收頻率的自由調控。隨著電流變液外加電場強度的增加，吸波體的吸收頻率逐漸向低頻移動。但是這種結構對封裝提出了更高的要求，難以獲得實際應用。

本工作在超材料結構中引入電阻和有源變容二極管，通過調控外加電壓來調節變容二極管的電容值，進而調節超材料吸波體的吸收頻帶。介紹了微結構型式、微結構之間的連線方式以及電阻和變容二極管的加載方式，研究了電阻值、電容值以及極化對吸波效果的影響，并對吸波的機理進行了分析。

1 結構

圖1為本工作設計的可調超材料吸波體截面示意圖。超材料吸波體共分為4層，自上而下依次為FR4層、微結構陣列層、低密介質層和金屬背板層。FR4層的厚度為d1，其介電常數為4.3×(1+i0.025)。微結構陣列層的厚度為d2，采用金屬Cu構建微結構。低密介質層的厚度為d3，選擇蜂窩作為低密介質，其介電常數為1.07×(1+i0.0024)。金屬背板層的厚度為d4，材料選用金屬Cu。

圖1 可調超材料吸波體的截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cross-section for the tunable metamaterial RAM

為了實現吸波特性的主動可調，在微結構陣列中引入電阻和變容二極管，電阻和變容二極管并聯排列。通過調控外加電壓來調節變容二極管的電容值，從而改變吸波結構的諧振頻率，實現吸收頻段的主動調節。圖2(a)為超材料吸波體中的微結構陣列及電壓加載示意圖，圖2(b)為其中的1個微結構單元的結構示意圖。在八邊形微結構四角位置加載電阻和變容二極管。相鄰對角微結構電壓極性相反，奇數層的八邊形微結構用金屬線橫向連接，連接電壓正極；偶數層的八邊形微結構用金屬線縱向連接，連接電壓負極。金屬連線的寬度為w，材質為Cu。八邊形微結構和連線的厚度均為d2。電阻的阻值為R，變容二極管的電容值為C。周期性微結構單元的周期為a，八邊形的相對邊的間距為p，八邊形橫向和縱向邊的長度為b，相鄰八邊形在對角位置處的間距為g。圖2(c)為橫向金屬連線和縱向金屬連線的局部放大圖?？梢钥吹?，為了避免兩個方向的連線相交，在空間上做了錯位處理。為了看清楚超材料吸波體的內部結構，在圖2中隱藏了最表層的FR4層。

為了便于研究，本工作設定1組基礎參數，如表1所示，后面的研究結果均在此組參數的基礎上改變特定參數獲得。

2 結果與分析

2.1 不同阻值對應的吸波效果

相鄰的四邊形微結構之間加載的電阻和電容都對超材料結構的吸波性能有影響。電阻R分別為900，1100，1300，1500Ω和1700Ω時的反射率曲線結果如圖3所示?？梢钥吹剑煌淖柚迪露荚?.99GHz附近出現了1個吸收峰。在R=1300Ω時，吸收峰(反射率極小值)最深，即吸波能力最強。此外，電阻R從900Ω增加到1700Ω時，吸收峰的位置幾乎沒有偏移，其中心頻點始終在3.99GHz附近。因此，電阻值的改變主要影響吸收峰的幅值，而不影響吸收峰的位置。

圖2 可調超材料吸波體的微結構陣列及電壓加載示意圖(a)，1個微結構單元的結構示意圖(b)及橫向和縱向金屬連線的局部放大圖(c)Fig.2 Schematic diagrams of the microstructure array and voltage loading in the tunable metamaterial RAM(a),a periodic structural unit of the microstructure array(b),local enlargement of the transverse and longitudinal metal connections(c)

Thickness/mmd1d2d3d4a/mmp/mmb/mmg/mmw/mmR/ΩC/pF0.40.0510.110630.70.513001

圖3 不同電阻對應的反射率曲線Fig.3 Reflectance curves corresponding to different resistances

為了確定吸收能力最強的時候所對應的電阻值，以100Ω為一個阻值間隔，計算600～2500Ω不同阻值對應的反射率最小值，結果如圖4所示?？芍?，1300Ω對應最小的反射率極值。

圖4 不同電阻對應的反射率最小值Fig.4 Reflectance minimum value corresponding to different resistances

為了明確超材料結構的吸波機理，計算了3.99GHz吸收峰極值處(R=1300Ω)超材料結構中的能量分布，結果如圖5所示。為了使能量分布顯示得更加明顯，對圖中的能量密度做了取對數處理?？梢钥吹?，能量主要集中在四邊形微結構的4個角落處，即加載的電阻和變容二極管附近。很明顯，是加載的電阻和變容二極管引起了電磁波的能量聚集和損耗。電阻和變容二極管構成的主動可控超材料能引起入射電磁波與反射電磁波的干涉，形成一個反射屏，同時入射的電磁波極化對吸波材料的作用相當于施加電壓激勵，引起諧振電流；在損耗介質中構成耗散電流，從而實現對電磁場能量的損耗和電磁波的高效吸收。

圖5 微結構單元中的能量分布圖Fig.5 Energy distribution image in the microstructure unit

2.2 不同電容對應的吸波效果

變容二極管的典型特性是，通過改變外加電壓可以改變變容二極管的電容值。不同電容下對應的超材料吸收峰如圖6所示?？梢钥吹剑娙輳?6pF降低到1pF，對應的吸收峰從1.07GHz增大到3.99GHz，吸收峰的位置變化了3.7倍。

圖6 不同電容對應的反射率曲線Fig.6 Reflectance curves corresponding to different capacitances

值得一提的是，本工作設計的超材料吸波結構，雖然在一個特定的電容下是窄帶吸收的，但是通過在結構中加載變容二極管實現了吸收峰的主動可調，吸收峰可以橫跨很寬的頻帶。在雷達隱身應用中，由于不清楚對方的雷達工作頻率，所以往往采用具有寬頻雷達吸波特性的吸波材料。而對于本工作設計的超材料吸波結構，由于吸收峰可以在3.7倍頻帶內實現可調吸收，結合能夠探測對方的雷達工作頻率的感知元件，實現的效果相當于寬帶吸收。

傳統的被動超材料吸波結構，為了實現寬頻吸波，往往采用多層設計，這會增大吸波結構的厚度，而本設計只需要1層就可以實現等效的寬頻吸收特性。本工作設計的主動可調超材料吸波體的總厚度為1.55mm，1.07GHz吸收峰對應的波長為280mm，厚度僅為波長的1/181，遠遠小于傳統的1/4波長吸波結構[22]，表現出了極佳的超薄特性。利用窄帶可調吸波設計來等效于寬帶吸波設計，這具有重要的意義，在實際使用中可以極大地降低材料的消耗和結構的質量載荷，尤其是在某些受制于設計空間的場合。

2.3 不同極化對應的吸波效果

圖7為超薄主動可調超材料吸波體TE和TM極化對應的吸波效果，變容二極管的電容為1pF?？梢钥吹?，極化下的反射率曲線幾乎重合，說明超薄主動可調超材料吸波體是極化不敏感的。出現這一現象的原因是，本工作設計的超薄主動可調超材料吸波體是一種中心對稱結構，因此對于TE和TM極化的電磁波會表現出相同的吸波效果。

圖7 超材料吸波體TE和TM極化對應的反射曲線Fig.7 Reflectance curves of the metamaterial RAM at TE and TM polarization

3 結論

(1)電阻值主要影響吸收峰的幅值，不影響吸收峰的位置。

(2)可以通過改變外加電壓的方式改變變容二極管的電容值，進而調節超材料吸收峰的頻率位置。電容從16pF降低到1pF，對應的吸收峰從1.07GHz增大到3.99GHz，吸收峰的位置變化了3.7倍，可以實現寬頻帶范圍內的主動可調吸波。本工作設計的寬頻帶內可調超材料吸波體，結合能夠探測對方的雷達工作頻率的感知元件，實現的效果等效于寬帶吸收。

(3)超材料吸波體的厚度僅為波長的1/181，遠遠小于傳統的1/4波長吸波結構，表現出了極佳的超薄特性，在實際使用中可以極大地降低材料的消耗和結構的質量載荷。

(4)超材料吸波體的吸波特性對入射波的極化方向不敏感。