多頻帶超材料吸波器設(shè)計(jì)

張娜，華偉，包建軍

（1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065；2.四川大學(xué)高分子研究所，高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065）

0 引言

近年來，因吸波材料廣泛應(yīng)用于天線[1]、電磁屏蔽[2]和隱身[3]等眾多軍事和民用領(lǐng)域，研究方向多集中在增加吸波材料的吸收帶寬和吸收強(qiáng)度，降低吸波材料的重量和厚度[4]。

傳統(tǒng)吸波材料常利用“λ/4 干涉相消”原理對(duì)入射電磁波產(chǎn)生強(qiáng)吸收，其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是材料的厚度至少為波長的四分之一，在帶寬變化時(shí)，四分之一波長的厚度條件就會(huì)失效，因此，傳統(tǒng)吸波材料難以同時(shí)達(dá)到吸收帶寬寬、厚度薄、重量輕、強(qiáng)吸收的高性能要求。超材料吸波引入人工復(fù)合材料，因能在超薄厚度下實(shí)現(xiàn)完美吸收而受到廣泛關(guān)注[5]。超材料吸波器通常是由上層周期單元陣列、中間層介質(zhì)基底和底層金屬背襯構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波入射到金屬周期單元時(shí)，其產(chǎn)生的電磁響應(yīng)，產(chǎn)生了新的電磁損耗。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于微波頻率的具有三個(gè)諧振吸收峰極化獨(dú)立的超材料吸波器，其金屬周期單元由兩個(gè)不同形狀和尺寸的開口諧振結(jié)構(gòu)組成?；趯?duì)稱模型提取超材料吸波器的等效電磁參數(shù)，利用提取的等效電磁參數(shù)計(jì)算超材料吸波器的微波吸收特性，分析電場(chǎng)分布和表面電流分布揭示超材料吸波器的電磁諧振吸收特性。通過仿真優(yōu)化諧振結(jié)構(gòu)尺寸，在2-18GHz 頻帶內(nèi)出現(xiàn)三個(gè)強(qiáng)吸收峰，在4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的吸收率均達(dá)95%以上，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了仿真與計(jì)算結(jié)果的正確性。

1 建模與仿真優(yōu)化

建立超材料吸波器模型如圖1（a）所示。吸波器由兩個(gè)金屬層和一個(gè)位于兩個(gè)金屬層中間的介質(zhì)層組成。頂層是金屬諧振單元，底層是金屬背襯，厚度均為0.035mm，電導(dǎo)率均為5.8×107S/m。介質(zhì)層為FR4，相對(duì) 介 電 常 數(shù)?r=4.3，損 耗 正 切tanδ=0.025，厚 度t=1.0mm。

吸波器結(jié)構(gòu)單元尺寸p=8mm，a3=7.8mm，a2=6.5mm，a1=5mm，w5=0.3mm，w4=0.5mm，w3=0.3mm，w2=0.3mm，w1=0.5mm，g2=0.25mm，g1=0.5mm。圖1（b）給出了吸波器在正入射下的吸收率和反射率曲線。結(jié)果顯示吸波器具有三頻帶強(qiáng)吸收特性，其中三個(gè)峰值4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的吸收率分別達(dá)97%、99%和97%。三個(gè)吸收峰附近的有效吸收帶寬分別為71MHz（4.176GHz-4.247GHz）、130MHz（7.816GHz-7.946GHz）和128MHz（11.488GHz-11.616GHz）。

圖2 給出了超材料吸波器中不同形狀的Absorber-A 和Absorber-B 結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線與集成的超材料吸波器的吸收率曲線的對(duì)比結(jié)果，表明當(dāng)兩種不同的諧振結(jié)構(gòu)集成為一個(gè)諧振單元時(shí)，表現(xiàn)出三頻帶強(qiáng)吸收特性。構(gòu)成該超材料吸波器的結(jié)構(gòu)單元具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性，吸波性能不受入射角度影響。

圖1

圖2 不同諧振結(jié)構(gòu)的吸收曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 超材料吸波器吸收機(jī)理分析

提取超材料吸波器中除金屬背板之外的等效電磁參數(shù)[6]，如圖3 所示。基于傳輸線理論利用等效的電磁參數(shù)計(jì)算超材料吸波器的微波吸收特性，如圖4（a）所示。結(jié)果表明仿真與計(jì)算的超材料吸波器的吸收性能基本完全吻合，因此能夠利用提取的等效電磁參數(shù)對(duì)其吸收機(jī)理進(jìn)行研究。

為探究超材料吸波器中吸收峰產(chǎn)生的主要原因，根據(jù)提取的等效電磁參數(shù)計(jì)算超材料吸波器中其吸收峰位置與材料厚度是否滿足“λ/4 干涉相消”，如圖4（b）所示。結(jié)果表明，超材料吸波器中其吸收峰位置與材料厚度之間沒有明顯的相關(guān)性，說明其吸收峰產(chǎn)生的主要原因不是“λ/4 干涉相消”，另外曲線為非平滑曲線的主要原因是諧振的存在導(dǎo)致超材料吸波器的等效電磁參數(shù)在諧振頻率處發(fā)生突變。將超材料吸波器加金屬背板的吸收強(qiáng)度（SHORT）和不加金屬背板的吸收強(qiáng)度（OPEN）隨頻率變化的曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖4（c）所示。結(jié)果表明兩者在2-18GHz 頻帶內(nèi)均有三個(gè)較明顯的吸收峰，在加金屬背板之后，超材料吸波器的吸收峰具有向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)，且吸收峰的強(qiáng)度變大，可見，雖然超材料吸波器中吸收峰產(chǎn)生的主要原因不是“λ/4 干涉相消”，但金屬背襯的存在與超材料吸波器強(qiáng)吸收峰的產(chǎn)生依然有重要的關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng)電磁波入射到超材料吸波器時(shí)，激發(fā)了超材料吸波器中金屬單元和金屬背板之間強(qiáng)烈的電磁響應(yīng)，形成電磁耦合諧振效應(yīng)。

圖3 超材料吸波器等效電磁參數(shù)

圖4

2.2 超材料吸波器電磁諧振吸收特性分析

為了探究所設(shè)計(jì)的三頻帶超材料吸波器在電磁諧振下的吸收特性，在三個(gè)吸收峰處分別添加場(chǎng)監(jiān)視器，當(dāng)電磁波垂直入射到超材料吸波器表面時(shí)，圖5 為吸波器在三個(gè)諧振吸收峰 4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的電場(chǎng)分布，在低頻4.21GHz 處，由于Absorber-A 內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的相互耦合，電場(chǎng)主要集中在外部的開口諧振環(huán)Absorber-A 中，在較高頻7.89GHz 處，電場(chǎng)主要集中在內(nèi)部的開口諧振環(huán)Absorber-B 中，然而，在最高頻點(diǎn)11.55GHz 處，電場(chǎng)依然主要集中在外部的開口諧振環(huán)Absorber-A 中。因此在4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的吸收分別是由外部的Absorber-A、內(nèi)部的Absorber-B、外部的Absorber-A 引起。由此再次印證了所設(shè)計(jì)的吸波器的第一和第三個(gè)吸收峰主要由Absorber-A 產(chǎn)生，而第二個(gè)吸收峰主要由Absorber-B 產(chǎn)生。圖6 為吸波器在三個(gè)諧振吸收峰4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處金屬單元與金屬背板上的表面電流分布，在低頻4.21GHz 和較高頻7.89GHz 處，金屬單元與金屬背板上的表面電流方向相反，而在最高頻點(diǎn)11.55GHz 處，Absorber-A 的內(nèi)環(huán)與外環(huán)上的表面電流方向相反。這樣它們之間就形成了循環(huán)電流，從而激發(fā)了磁響應(yīng)?？梢?，吸收峰處電響應(yīng)和磁響應(yīng)同時(shí)被激發(fā)，導(dǎo)致電磁耦合諧振效應(yīng)，使此超材料吸波器具有較強(qiáng)的對(duì)電磁波吸收的能力。

圖5 超材料吸波器在三個(gè)吸收峰處的電場(chǎng)分布

圖6 超材料吸波器在三個(gè)吸收峰處上下金屬層的表面電流分布

2.3 超材料吸波器加工及測(cè)量

仿真與計(jì)算結(jié)果已經(jīng)表明了由兩種不同形狀和尺寸的開口諧振結(jié)構(gòu)組成的超材料吸波器具有良好的三峰值極化獨(dú)立吸收特性，為了驗(yàn)證仿真與計(jì)算結(jié)果的正確性及超材料吸波器設(shè)計(jì)的有效性，根據(jù)仿真優(yōu)化得到的超材料吸波器的尺寸利用傳統(tǒng)的印刷電路板工藝制備了含25×25 個(gè)金屬單元200×200mm2的超材料吸波器樣品，如圖7（a）所示。采用弓形法測(cè)試樣品的反射率，將連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Agilent N5230A）上用于發(fā)射和接收的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線放置在弓形框上，樣品放置于天線正下方，實(shí)現(xiàn)自由空間的雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)量。為防止周圍電磁環(huán)境的干擾，測(cè)試均在微波暗室中進(jìn)行。實(shí)際測(cè)量前，首先利用與待測(cè)樣品尺寸相同的銅板進(jìn)行反射率校準(zhǔn)，然后對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。圖7（b）為制備的超材料吸波器的測(cè)量與仿真反射率對(duì)比曲線，由圖可知，實(shí)際測(cè)量性能與仿真性能結(jié)果一致。

圖7

3 結(jié)語

本文提出了一種應(yīng)用于微波頻率的具有三頻帶吸收極化獨(dú)立的超材料吸波器，金屬周期單元由兩個(gè)不同形狀和尺寸的開口諧振結(jié)構(gòu)Absorber-A 和Absorber-B組成，經(jīng)仿真優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，超材料吸波器在2-18GHz頻帶內(nèi)具有三個(gè)強(qiáng)吸收峰，且在三個(gè)吸收峰4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的吸收率均達(dá)95%以上。基于對(duì)稱模型，提取了超材料吸波器的等效電磁參數(shù)，通過分析電場(chǎng)分布和表面電流分布對(duì)超材料吸波器的吸波機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的研究。最后，加工設(shè)計(jì)的超材料吸波器對(duì)其進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證了仿真與計(jì)算結(jié)果的正確性。