一種基于集總電阻加載的寬頻超材料吸波器設計

張漫 楊曉慶 羅杰方 周彤 李哲

摘 要 設計了一種用于寬帶吸波的集總電阻加載的超材料吸波器，并進行了理論和仿真分析。仿真結果顯示該吸波器實現了在20.8 GHz到33.0 GHz頻段內具有超過90%吸波率的良好吸波特性。通過對該結構在有無集總電阻加載的情況下對吸波率和能量損耗的仿真結果比較得出，集總電阻是實現寬頻帶吸波的主要因素。此外，該吸波器還具有對TE波、TM波不敏感和50度寬入射角的特性。有理由相信，該吸波器在電磁隱身領域將具有廣闊的應用前景。

關鍵詞 吸波超材料 集總電阻 寬頻帶 極化不敏感 寬入射角

中圖分類號：TN929文獻標識碼：A

0引言

超材料是一種由具有亞波長特性的結構單元通過周期性排列而構成的人工電磁媒質。通過調整周期單元的尺寸、結構、排列方式等，超材料的電磁特性也會隨之發生變化，從而實現“完美透鏡”成像、隱身斗篷、極化轉換等功能。由此，超材料一直都具有非常廣泛的應用場景。2008年，Landy等人利用金屬開縫環、FR4基板和金屬線構成的超材料實現了對11.48 GHz電磁波96%的吸波率，從此可用于電磁隱身的超材料吸波器走進了研究者們的視野。超材料吸波器也叫做電磁損耗超材料，是一種能將電磁能量轉化為其他形式能量的功能性材料，同時它還具有厚度薄，質量輕，吸收強，頻帶寬等優勢，在電磁隱身方面具有非常重要的潛在應用價值。

對于吸波器來說，寬頻吸收是評估其具有應用價值的標準之一，同時也是每一個研究者所追求的目標。目前能夠實現吸波器寬頻吸收的設計方法主要有三種，第一種是利用多個金屬圖案層和介質層交替疊加從而實現寬帶吸波;第二種是利用不同諧振點的金屬圖案的排列來實現寬帶吸收;第三種主要是通過將超材料設計思想與阻抗匹配理論結合起來實現寬頻效果，該方法目前也已經成為設計寬頻超材料吸波器的一個熱點，尤其是基于集總元件加載的吸波器，通過調整結構單元和集總元件的參數，可以有效地調節其頻率響應特性和吸收性能，從而實現寬頻效果。

本文設計了一種基于集總電阻加載的寬頻超材料吸波器。該吸波器的單元結構由缺口金屬柱面，和加載在缺口處的集總電阻組成，實現了在20.8 GHz到33.0 GHz頻段內具有超過90%以上吸波率的良好特性。同時，該吸波器還具有對TE、TM波不敏感和50？寬入射角的特性，因此，在電磁隱身領域它將具有極大的應用潛力。

1理論分析

1.1單元結構分析

如圖1所示，設計的超材料吸波器單元是由上層加載集總電阻的缺口金屬柱面，中間的介質層，和底層的接地金屬片構成，其中金屬是電導率= 5.96 ？107 s/m的銅，介質層是介電常數= 3.9，，損耗角正切tan = 0.02的FR4介質板。根據等效介質理論可知，超材料吸波器的吸波率A（ ）可表示為

為了分析集總電阻對該吸波器在吸波效果上的作用，我們分別仿真了在有無集總電阻加載的情況下，其在吸波率上的變化和能量損耗。如圖2顯示，在加載集總電阻后，整個吸波器的吸波效果得到了大幅度的提升，其中f代表的是頻率，Load和No load分別代表加載和未加載集總電阻。

除吸波率以外，我們還分別在兩個強諧振點20.9GHz和30.6GHz處進行了電磁能量損耗的仿真。如圖3可以看出，在未加載集總電阻時，超材料的能量損耗主要發生在缺口的縫隙里，且損耗的程度相對較小，而在加載后，不僅是縫隙里有損耗現象，金屬內部的能量損耗也非常明顯，且損耗的程度相對較大，這說明集總電阻的加載使該吸波器產生了更大的歐姆損耗，即更多的電磁能量轉化為熱量被損耗，這也從解釋了圖2中吸波率的變化。

1.2仿真結果

在圖2中，我們展示出該吸波器在20.8到33.0 GHz頻段內具有90%以上吸波率的良好特性。但是除此之外，其還具有極化不敏感和寬入射角的優勢。為此，我們對其進行了仿真驗證。如圖4（a）所示，該吸波器在TE波和TM波的垂直入射下，它的吸波效果幾乎不發生變化，體現出其非常好的不敏感性。當然，好的吸波材料要求不僅能在垂直入射波的照射下具有良好的吸波效果，也要能在一定的角度范圍中保持這種效果。正像仿真結果所展示的那樣，該吸波器隨著斜入射角度的增加，吸波效果也在不斷變差，直到25。仍能保持90%以上的吸波率，由于它的結構對稱性，最終確定能接受50度范圍內的斜入射，如圖4（b）所見。

2結論

本文設計研究了一種基于集總電阻加載的寬頻超材料吸波器。該吸波器在20.8 GHz到33.0 GHz頻段內具有90%以上吸波率的良好特性。為了說明集總電阻對寬頻吸波的作用，我們對加載前后的吸波結構進行了吸波率和能量損耗的仿真，結果證明，在添加集總電阻后，整個吸波結構將電磁能量轉化為歐姆損耗的能力得到提升，從而實現了吸波率的大幅度增加。除了寬頻吸波以外，該吸波器還具有極化不敏感和寬入射角的特性。仿真證明，在TE波和TM波的垂直入射下，該吸波器的吸波效果幾乎保持不變，這表明了它良好的極化不敏感性。為了說明它的寬入射角特性，我們分別仿真了不同入射角度下的吸波率，證明其在50。的入射范圍內仍能保持相同頻率范圍90%以上的吸波率。由此，我們相信該吸波器在電磁隱身領域將具有極大的應用前景。

*通訊作者：楊曉慶

基金項目：這項工作得到了國家自然科學基金（11572248號）、制造工藝檢測技術重點實驗室開放項目（11572248號）、教育部（18kfzk03號）的資助。

作者簡介：張漫，女，漢族，1995年8月15日出生于河南省信陽市固始縣，現于四川大學電子信息學院應用電磁研究所攻讀碩士研究生學位，從事于電磁超材料專業領域研究，主要研究方向是有關隱身超材料的設計。

參考文獻

[1] 沈楊.基于超材料的雷達吸波材料研究進展[J].空軍工程大學學報（自然科學版），2018（19）.

[2] Parimi P.V.Imaging by flat lens using negative refraction[J].Nature，2003（426）.

[3] Schurig D.Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies[J]. Science，2006（314）.

[4] Hao J.M.Manipulating electromagnetic wave polarizations by anisotropic metamaterials[J].Phys Rev Lett，2007（99）.

[5] 宋健.基于集總元件的超材料吸波器研究進展[J].材料導報A：綜述篇，2017（31）.

[6] 劉凌云.基于集總電阻的寬頻帶超材料吸波器研究[J].微波學報，2016（32）.

[7] Landy N.I.Perfect metamaterial absorber[J].PhysRev Lett，2008（100）.

[8] 王瑩.基于集總元件的低頻寬帶超材料吸波體設計與實驗研究[J].物理學報，2013（07）.

[9] 呂世奇.一種基于集總電阻加載的小型化超寬帶超材料吸波體設計[J].電子與信息學報，2019（41）.

[10] ?Ding F.Ultra-broadband microwave metamaterial absorber[J].Applied Physics Letters，2012（100）.

[11] ?Cheng Y.Z. A polarization-insensitive and omnidirectional broad band terahertz metamaterial absorber based on coplanar multi-squares films[J].Optics & Laser Technology，2013（48）.

[12] ?Gu C.Planar metamaterial absorber based on lumped elements[J].Chinese Physics Letters，2010（27）.

[13] ?Gu C.Design of a wide-band metamaterial absorber based on resistance films[J].Acta Physica Sinica，2011（60）.

[14] ?Fan Y.An ultrathin wide-band planar metamaterial absorber based on a fractal frequency selective surface and resistive film[J].Chin Phys：B，2013（88）.

[15] ?Zhang H.B.Frequencydispersive resistance of high impedance surface absorber with trapezoid-coupling pattern[J].Journal of Applied Physics，2012（112）.

[16] ?程用志.基于集總電阻的超寬頻帶超材料吸波體設計[J].華中科技大學學報（自然科學版），2018（46）.

[17] ?Chen X.D.Retrieval of the effective constitutive parameters of bianiso-tropic metamaterials[J].Physical Review E：Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics，2005（71）.

[18] ?Liu R.Description and explanation of electromagnetic behaviors in artificial metamaterials based on effective medium theory[J].Physical Review E：Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics，2007（76）.

[19] ?Ye D. Ultrawideband dispersion control of a metamaterial surface for perfectly-matchedlayer-like absorption[J].Physical Review Letters，2013（111）.