一種具有透波吸波特性多層超表面的設(shè)計(jì)

竇興科

（中國(guó)電子長(zhǎng)風(fēng)科技有限責(zé)任公司 甘肅省蘭州市 730070）

1 引言

自由調(diào)控電磁波在眾多領(lǐng)域有非常重要的作用。例如，在濾波器和雷達(dá)天線罩領(lǐng)域，高度期望在一定頻率間隔內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁波完美傳輸特性[1]，而在與能量收集和隱身相關(guān)領(lǐng)域，具有高吸波效率的器件發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2-4]。此外，如果能將這兩種功能結(jié)合到同一裝置中，這種多功能器件在智能隱身天線罩及多基站雷達(dá)等存在潛在的應(yīng)用價(jià)值[5-6]。但是，由于電磁波特有的性質(zhì)，傳統(tǒng)材料的散射和吸收具有強(qiáng)耦合特性，任意調(diào)控電磁波的反射，透射及吸收特性是非常困難的[7]。

人工電磁材料[8-10]的興起為制造此類(lèi)光學(xué)器件提供了有效解決方案。其是由特定電磁特性的平面原子組成的二維結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的電磁波控制能力，可以實(shí)現(xiàn)電磁波的完美傳輸和吸收。有眾多研究已經(jīng)提出在所需頻段同時(shí)具有透波吸波特性的觀點(diǎn)。2012年，Costa 等設(shè)計(jì)了一種電阻膜吸波材料[11]，電阻膜結(jié)構(gòu)的吸波頻段避開(kāi)了帶通頻段，在不影響帶通性能的同時(shí)，能夠保持高頻帶外吸收特性，從而實(shí)現(xiàn)了吸、透波一體化設(shè)計(jì)。2014年，南洋理工大學(xué)沈忠祥等通過(guò)將加載集總元件的吸收型結(jié)構(gòu)與透射型結(jié)構(gòu)結(jié)合，在滿足寬帶透波效果的同時(shí)在通帶兩側(cè)形成兩個(gè)強(qiáng)吸收峰[12]，2018年，空軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種具有低頻吸收、高頻透射性能的結(jié)構(gòu)，通過(guò)將加載集總電阻的吸波層與具有頻譜濾波特性的低反高透層進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)，獲得對(duì)特定頻段入射電磁波的選擇性吸收與透射，從而實(shí)現(xiàn)吸波與透波的一體化設(shè)計(jì)[13]。但是，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，利用Ka 波段進(jìn)行衛(wèi)星通信具有帶寬較寬，干擾少，設(shè)備體積小等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)隱身性能，可有效降低設(shè)備的雷達(dá)散射截面（RCS），減小被探測(cè)的可能性。而學(xué)術(shù)上對(duì)于此類(lèi)研究報(bào)道較少

針對(duì)此類(lèi)需求，本文提出了一種具有超短波高透，X-Ka 波段強(qiáng)吸收的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。首先給出了一般性工作原理，然后基于低頻透射型超表面與高頻吸收型超表面進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，由仿真結(jié)果表明，復(fù)合型結(jié)構(gòu)在0～2.5 GHz 范圍內(nèi)的透射率大于80%，在14.4～35.8 GHz 范圍內(nèi)的吸收率大于80%，且具有重量較輕，成本低且易于制造等優(yōu)點(diǎn)。

圖1

圖2：低通高反型超表面示意圖

2 工作原理

本文所提出的低通高吸型超表面結(jié)構(gòu)由吸收層，介質(zhì)層，泡沫層及低通高反層構(gòu)成，如圖1（a）所示。其中介質(zhì)層和泡沫層對(duì)于吸收層及低通高反型金屬層起到了支撐作用，并且保證了整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。吸收層決定了整體結(jié)構(gòu)的吸波特性，要求其在高頻段具有良好的吸收特性的同時(shí)，對(duì)低頻段電磁波透明。低通高反型金屬層不僅提供了其透波特性且提升了吸收效率及帶寬，工作原理如圖1（b）所示。

需要特別注意上述只是定性的給出了低通高吸超表面的工作原理。在實(shí)際設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中，多層結(jié)構(gòu)之間必然存在相互耦合作用，每層結(jié)構(gòu)不是孤立存在的。因此，本文給出了低通高反層超表面的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上引入吸收損耗層，進(jìn)行一體化聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)具有低頻透波，高頻超寬帶吸波特性的超表面結(jié)構(gòu)。

3 低通高吸型超表面設(shè)計(jì)

圖3：不同的金屬尺寸下的S 參數(shù)譜線

圖4：吸收型超表面示意圖

圖5：不同阻值下的吸收譜線

本章節(jié)首先介紹了低通高反型超表面的設(shè)計(jì)及影響因素，接下來(lái)介紹吸收型超表面的設(shè)計(jì)及影響因素，最后通過(guò)吸收型超表面和低通高反型超表面進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)吸透一體化功能。

3.1 低通高反型超表面設(shè)計(jì)

采用方環(huán)金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低頻段高透和高頻段高反的頻選特性。如圖2 為所設(shè)計(jì)的低通高反型超表面結(jié)構(gòu)示意圖，由介質(zhì)基板上刻蝕一層方環(huán)金屬構(gòu)成。

利用CST Microwave Studio 電磁仿真軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似全波仿真，選擇周期型邊界條件，垂直激勵(lì)，電場(chǎng)沿X 方向等仿真選項(xiàng)。在仿真過(guò)程中，金屬銅的電導(dǎo)率設(shè)置為5.8×107S/m，選擇型號(hào)為F4BM-2（εr= 2.2, tan δ=0.002）的介質(zhì)基板。圖3 是金屬方環(huán)結(jié)構(gòu)線寬 w1在不同尺寸下的透波譜線和反射譜線，由仿真結(jié)果可知，隨著w1越寬，低頻段的透波效率越強(qiáng)，帶寬越寬，高頻段的阻波特性越強(qiáng)以及阻帶帶寬越寬。尺寸不同，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的電磁性能不同，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)才可以提供較好的透/阻波帶寬特性。

圖6

圖7：正入射情況下的譜線圖

3.2 吸收層超表面設(shè)計(jì)

該吸波超表面由刻蝕在介質(zhì)基板上的金屬結(jié)構(gòu)與復(fù)合貼片電阻構(gòu)成，如圖4所示。金屬結(jié)構(gòu)采用井字形結(jié)構(gòu)，復(fù)合貼片電阻鑲嵌在井字形結(jié)構(gòu)的縫隙中。此種形式的吸波結(jié)構(gòu)，能夠有效保證電磁波寬頻段、寬角度的吸波特性。

表1：性能指標(biāo)對(duì)比

圖8：不同入射角度下垂直極化的譜線圖

圖9：不同入射角度下水平極化的譜線圖

由于吸收層結(jié)構(gòu)僅由一層基板構(gòu)成，無(wú)金屬背板，因此，吸收效率最高可達(dá)50%。圖5 是不同的電阻值對(duì)于該結(jié)構(gòu)的影響，從仿真結(jié)果可以看出，隨著阻值的增加，吸收效率增強(qiáng)以及吸收帶寬變寬，但阻值并不能無(wú)限增大，超過(guò)一定的阻值反而會(huì)使得吸收特性下降，因此，通過(guò)模擬得出合適的電阻阻值才能使得吸收性能最好。

3.3 吸透型超表面一體化設(shè)計(jì)

復(fù)合單元結(jié)構(gòu)如圖6所示，由兩層印刷電路板組成，各功能層之間用泡沫材料連接（εPMI=1.15）。在介質(zhì)基板上印刷金屬結(jié)構(gòu)，可以看出，第一層是吸收層，選擇方環(huán)金屬柵格作為單元結(jié)構(gòu)，并且將電阻器焊接在金屬條之間以提供在高頻段的吸收。第二層是低通高反層，其可通過(guò)利用金屬微結(jié)構(gòu)的特性在低頻段中實(shí)現(xiàn)良好的傳輸性能，同時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)的諧振會(huì)使得局域場(chǎng)急劇增強(qiáng)，在達(dá)到阻抗匹配的情況下，電阻會(huì)對(duì)入射電磁波產(chǎn)生強(qiáng)損耗，實(shí)現(xiàn)高頻段的強(qiáng)吸收。

采用上述仿真方法對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使其滿足低頻透射，高頻吸收的設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：h1=0.25 mm, h=2 mm, h2=0.25 mm, p=3.5 mm, l=3.3 mm, s=2.5 mm, d=0.6 mm,w=0.5 mm, R=250 Ω, s1=2.5 mm, w1=0.9 mm。

4 仿真和結(jié)果

圖7 給出了該結(jié)構(gòu)在正入射下的透射率和吸波率。由圖7 （a）可知，0～2.5 GHz 透射率超過(guò)80%。在不考慮散射的情況下，定義總能量由反射（S11），透射（S21）和吸收組成，因此吸收率（A）為：

A=1-|S11|2-|S21|2

通過(guò)仿真可以獲得0～40GHz 范圍內(nèi)的S11和S21，利用上述公式來(lái)計(jì)算超表面的吸收率，吸收曲線如圖7（b）所示。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在14.4～35.8 GHz 范圍內(nèi)，吸收率超過(guò)80%，而在16～32.8 GHz 范圍內(nèi)，吸收率均大于90%。

在不同入射角下，該結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線如圖8-9所示。從圖中可以看出，隨著入射角度的增加，兩種極化狀態(tài)下，0～2.5 GHz的透波損耗基本無(wú)變化。對(duì)于垂直極化而言，隨著入射角度的增加導(dǎo)致吸收譜線出現(xiàn)壞點(diǎn)，帶寬基本無(wú)影響，水平極化使得吸收帶寬變窄?？傮w來(lái)看，在0°～45°入射角度內(nèi)，新型結(jié)構(gòu)的性能基本趨于穩(wěn)定。

5 討論

類(lèi)似結(jié)構(gòu)的定量比較如表1所示。對(duì)于基于Ka 波段的衛(wèi)星通信設(shè)備不僅需要良好的信號(hào)傳輸性能，為降低被探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，還需具有強(qiáng)大的隱身能力。從表1 可以看出，本文提出的新型超表面吸收帶寬覆蓋X-Ka 波段，相對(duì)帶寬大于參考文獻(xiàn)[11、13]。

6 結(jié)論

本文提出了一種低通高吸型超表面的新型設(shè)計(jì)方案。其中吸波型超表面主要決定結(jié)構(gòu)的吸波特性，低通高反層超表面主要決定結(jié)構(gòu)的透特性。仿真結(jié)果表明，在低頻段（0～2.5 GHz）透射率大于80%，高頻段（14.4～35.8 GHz）的吸收率達(dá)到80%，相對(duì)帶寬達(dá)到85%。在 0°～45°掃描范圍內(nèi), 低頻段透波插損無(wú)變化，吸收頻段帶寬略變窄，整體性能基本穩(wěn)定這種新穎的超表面在雷達(dá)隱身以及減少設(shè)備之間電磁干擾等領(lǐng)域具有重大意義。同時(shí)具有成本低，易加工等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，缺陷在于該設(shè)計(jì)未通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。