一種多層電阻膜加載寬頻吸波結構

房新蕊 王茜 張慶東 孟平 劉開業

（中國航空工業集團公司濟南特種結構研究所，高性能電磁窗航空科技重點實驗室 山東省濟南市 250023）

2008年，Landy 等[1]首先提出了由電諧振器、電介質基板和金屬微帶線構成的具有“完美吸收”特性的電磁耦合結構吸波體。隨后，研究人員提出了各種極化無關和寬入射角等特性的吸波體。為了展寬吸波頻帶，N. Llombart 等[2]利用加載在諧振單元上的阻抗元件實現對入射能的存儲和消耗，達到拓展帶寬的目的；沈曉鵬等[3]利用電阻型超材料設計的吸波體可以實現超寬帶吸收。

傳統的吸波體多依賴于金屬結構的電磁諧振（相對于頻率的變化較不穩定），其表面阻抗只能在諧振頻率附近極窄的頻帶內與自由空間阻抗匹配，因而帶寬極窄[4-8]。為了實現寬頻帶的吸波體，采用電阻膜替代金屬結構，將電磁諧振轉化為電路諧振。基于此，本文設計了多層電阻膜組合的吸波結構,并采用有限元算法對這種結構的吸波特性進行了數值仿真分析。

1 吸波材料衰減機理

如圖1 所示，當電磁波作用在吸波材料上時，若能量的吸收是由極化過程中電介質損耗引起，即由復介電常數ε=ε’-jε”中的虛部ε”引起，稱之為電損型吸收材料；若能量的吸收是由磁化過程中磁介質損耗引起，即由復磁導率μ =μ’-jμ”中的虛部μ”所致，稱之磁損型吸收材料。描述材料吸收性能的物理量是材料的衰減常數，對于電損型和磁損型材料分別為：

由上可知，|μ|、|ε|、ε”、μ”越大則材料吸收電磁波能力越強，吸收效果越好。

綜上，如圖2 所示，要獲得性能優良的吸波材料，必須綜合考慮阻抗匹配和衰減匹配2 種因素，尤其是材料的介電常數、磁導率和厚度參數等。

2 數值仿真分析

圖1：電磁波入射示意圖

圖2：吸波材料結構示意圖

圖3：多層電阻膜吸波結構

利用商業電磁分析軟件HFSS 建立多層電阻膜組合型吸波結構模型，如圖3 所示。各層電阻膜結構可等效為一有效阻抗，適當時在諧振頻點處實現有效吸波。

如圖4 所示，通過對該結構的電阻膜阻值、結構、介質厚度和介電常數進行自動優化設計，得到如下參數。

單元結構的幾何參數為p=7.5mm；a1=0.82mm，方阻R1=500~ 800Ω/□；a2=1.73m，方阻R2=390Ω/ □；a3=3.65mm，R3=50～150Ω/ □。其中，金屬材料為厚度0.018mm、電導率為5.8*107S/m 的銅；中間層為介電常數為1.8、損耗角正切為0.05 的介質板。

圖4：單元尺寸結構圖

吸波結構主諧振模式的頻率可通過基本單元結構參數的設計而進行調節。如圖5 和圖6 所示，該吸波結構兩個極化下3GHz~10GHz 頻帶內吸收效果都在-10dB 以上。

可以看出該吸波結構通過對幾何參數調控可以實現寬頻強吸收。

圖5：S11 仿真曲線（垂直極化）

圖6：S11 仿真曲線（水平極化）

3 結論

本文提出了多層電阻膜組合型超材料吸波結構，通過有限元算法分別對其吸波特性進行了數值仿真。仿真結果表明：在3GHz-10GHz 頻率范圍內，超材料吸波結構通過幾何參數的設計實現了寬帶強吸收。同時，根據不同極化角和不同入射角下吸波結構反射率表明，該結構具有極化不敏感和寬入射角特性。