新型電磁超材料電磁波吸收器的研究現狀

(天津工業大學 天津 300000)

一、前言

電磁超介質的基本設計思路是以某種具有特殊功能的人工結構為基礎。媒質所呈現的一些物理性質往往和媒質結構中的關鍵物理尺度有關。因此，人們可以通過調節各種層次的某種結構的具體物理尺度實現對各種物理量的調制，從而獲得自然媒質所不具備的物理性質。目前廣泛研究的電磁超材料介質包括左手材料、復合左/右手傳輸線、光子晶體、超磁性材料等[1-2]。大多與電、磁、光性質相關聯，其重大的科學意義及巨大的應用前景對未來新一代通信、探測[3]、超聲波成像[4]、醫學成像、電磁隱身等將產生極為重要的影響。其中電磁波吸收器的設計原理基于電磁超材料中的左手材料基本物理機理，又被稱為等效介質理論[5]。該理論為新型電磁超材料電磁波吸收器的研究奠定了基礎。

二、新型電磁超材料吸收器的研究現狀

新型電磁超材料吸收器可在諧振頻率附近產生強烈損耗從而具有良好的電磁波吸收性能。目前，新型電磁超材料吸波材料的研究已經擴展到很寬的頻率范圍，并取得了許多優秀的研究成果。

在2008年Landy等人設計了完美超材料吸波體,如圖1所示，單元結構為三層結構，其表面層為金屬諧振環，底層為金屬條。

圖1 Landy等人設計的超材料吸波結構單元(a1=4.2，a2=12，W=3.9，G=0.606，t=0.6，L=1.7，H=11.8單位:mm)

圖2 PMA結構仿真結果與測試結果

圖2中紅色線為該結構仿真吸波率，藍色線為該結構測試吸波率。可以看到該結構在11.48GHz，吸波率達到了96%。同年Tao Hu等研究者通過對該結構進行改進提出了第一代太赫茲超材料吸收器，其改進后的單元結構尺寸如圖3所示

圖3 (a)表面電諧振器(b)底層切割線(c)單元結構寬34微米，長50微米

電諧振器的線寬和間隙為3μm。方形電諧振器的邊長為30μm，切割線的邊長為48μm，切割線的寬度為4μm。電諧振環和切割線的厚度為200nm。聚酰亞胺的間隔物厚度為8μm，GaAs晶片的厚度為500μm。

圖4 改進PMA結構仿真結果與測試結果

圖4中紅色線為該結構仿真吸波率，藍色線為該結構測試吸波率。可以看到該結構在在1.3 THz時測試吸波率達到最大值70%，仿真吸波率在相同頻率下達到68%。

2011年Ji Weiwei等研究者提出了一種由拱銅環和基板FR-4組成的三層超材料吸波材料，其單元結構如圖5(a)所示表層與底層分別拱銅環和銅板中間為FR—4基板，其共振頻率取決于環的幾何周長。通過將具有不同尺寸的AGL組合在一起，可以實現多頻帶吸收。

圖5 (a)單元結構示意圖L=10mm,R=3.8mm,w=0.2mm,t=0.02mm(b)周期陣列示意圖

圖6 AGL結構仿真吸波率

圖6為兩個、三個、四個AGL所構成吸波體的仿真吸波率結果，Ji Weiwei等研究者提出AGL半徑與諧振頻率之比大致相等。從仿真結果可以看出，每個額外的循環將帶來一個更多的吸收峰。據此，可以通過調整AGL的數量來控制共振頻率的數量，從而構造多頻帶吸波體。

2012年Ding Fei等研究者設計了一種整體厚度接近6mm由20層結構組成的吸波體，其單元結構如圖7所示。

圖7 Ding Fei等人設計的結構單元(Wt=5=5,Wl=9,P=11,tm=0.05,td=0.2，T=5單位:mm)

圖8 Ding Fei等人設計結構的(a)仿真結果和(b)測試結果

觀察圖8，我們可以得出在7.8GHz—14.7GHz頻段內，該結構吸波率大于90%。由于該結構的中心對稱性質在仿真不同入射角和不同極化角情況下，可以看出它的角度穩定性和極化不敏感性較好。雖然增加厚度可以大大拓寬高吸波頻段，但其加工復雜，過厚的材料應用也將受到限制。因此將厚度控制在可接受范圍內，同時拓寬高吸波頻段成為電磁超材料重點研究方向。

三、結語

綜上所述，電磁超材料吸收器是一種多層結構吸收器，其經歷了從窄帶單頻到窄帶多頻，最后到寬帶的發展歷程，并且逐漸從微波頻段向太赫茲、光頻段發展。現如今已發展成為全頻段吸波器。但無論傳統電磁超材料還是新型電磁超材料吸收器均由剛體材料構成。在未來我們可以使用涂層鍍金屬布代替反射層與間隔層，將導電紗線通過針織工藝搭建成網代替導電電阻膜，降低整體結構的Q值，從而構造新型電磁超材料寬頻柔性吸波器，該新型吸波器由于其特殊的性質將在雷達、電磁波隱形、天線隱形，軍用防護性紡織品、衛星通信等領域有著廣闊的應用前景。