一種具有寬帶廣角度吸收特性的超表面吸波器

0引言

超表面是一類周期性排布的人工電磁結構，將其放置于金屬地板上構成的超表面吸波器是目前吸波器的研究熱點，在隱身技術、電磁兼容（E-lectro Magnetic Compatibility，EMC）、電磁能量收集和微波暗室等領域有著廣泛的應用。這些應用通常要求超表面具有低剖面、寬帶、角度穩定性和極化不敏感性等性能。近幾十年來，超表面吸波器的研究首先關注如何在低剖面條件下實現寬帶吸收的性能。已有研究表明，使用多層超表面結構的超表面吸波器和使用磁性材料與超表面混合的超表面吸波器能夠很好地在低剖面條件下實現寬帶吸收的性能。然而，當入射角增加時，此類超表面吸波器的吸波能力和吸波帶寬均大幅度減小。為了解決超表面吸波器角度穩定性的問題，Ma等通過在傳統超表面吸波器的上方加載介質匹配層，設計了對TE波50°，TM波40°角度穩定性的超表面吸波器，其相對吸收帶寬為90.4%。此外，Yao等通過使用一種新型的超表面匹配層，提出了一種對TE波和TM波都具有110.5%的相對帶寬和45 0的角度穩定性的超表面吸波器。He等利用2個介質層實現了雙截面和階梯阻抗的特性，設計了一種對TE波和TM波都具有127.5%的相對帶寬和45°的角度穩定性的超表面吸波器。為了在更大的入射角度下維持角度穩定性，許多垂直超表面結構被提出并應用于超表面吸波器的設計中。Shi等開發了一種由水平超表面結構和垂直環陣列組成的三維超表面吸波器。該吸波器具有48.9%的相對帶寬，并且對TE波和TM波的吸收均保持在50°以上。Tang等通過使用非諧振結構的亞波長電感和電容陣列，在21.5%的相對帶寬下同時實現了TE波和TM波55°的角度穩定性。總的來說，如何在保持較高的角度穩定性的同時擴展吸收帶寬是目前超表面吸波器的研究難點，利用已有技術無法在超過55°的廣角度范圍內同時對TE和TM波實現寬帶吸收。

因此，本文提出了一種由水平超表面和垂直“I”字型超表面結構組成的超表面吸波器，能夠在寬頻帶內維持良好的角度穩定性，更好地適應廣角度電磁隱身和干擾抑制等應用的需求。

1超表面吸波器的幾何結構

所提出的超表面吸波器的三維結構示意如圖1（a）所示，單元結構的俯視圖、側視圖分別如圖1（b）和圖1（c）所示。該超表面吸波器的水平結構共由3層功能層組成，從上到下分別是水平超表面、空氣介質層以及金屬地板。頂層的超表面由加載了4個電阻的異形十字架與周圍的4個方形貼片組成，印制在相對介電常數為4.4、損耗角正切值為0.02的FR4介質基板上，4個電阻的阻值R=100。FR4基板的下方為金屬地板，中間空氣層的厚度為t。該超表面吸波器中的垂直超表面結構如圖1（c）所示，“I”字形的垂直超表面插入在FR4介質基板和金屬地板之間，一個周期單元包含4個分布在四周的“I”字形結構，印制在垂直放置的FR4基板兩側，每個“I”字形結構中包含一個電阻（R=600）與一個電感。周期單元尺寸參數的具體數值如表1所示。

2超表面吸波器的設計原理

為了最大程度地吸收電磁波，超表面吸波器的設計需要滿足完美匹配條件，分別為TE波和TM波入射下超表面吸波器的反射系數，YO為空氣的特征導納，TM分別為TE波和TM波下超表面吸波器的輸入導納。在不同入射角00的電磁波作用下，吸波器的反射系數表達式如下：

當超表面吸波器與空氣的特征阻抗完美匹配時，其反射系數為零。隨著入射角度增加，空氣的波阻抗在TE和TM波下呈現出相反的變化趨勢，其輸入導納的電導在TE波下減小，在TM波下增加，所以要維持完美匹配條件需要超表面對TE和TM波分別產生不同響應。對于一個傳統的只有水平結構的二維超表面吸波器，由于僅對水平的電場進行響應，難以實現所需的極化色散特性，故只有水平超表面結構的超表面吸波器無法在大角度入射時同時維持TE波以及TM波入射下的角度穩定性。為了實現這一極化色散特性，需要加入垂直超表面結構來對垂直的電場進行響應，從而提升超表面吸波器在TM波下的吸收性能，同時該垂直超表面應不影響原本的TE波吸收性能。

3超表面吸波器設計步驟及性能分析

所設計的超表面吸波器演變流程如圖2所示。首先，設計了只含異形十字架結構的水平超表面I并將其加載在金屬地板上組成了超表面吸波器。然后，為了提升其在TE波大角度入射下的吸收性能，設計了超表面Ⅱ，即在超表面I周圍引入4個方形貼片。最后，為了進一步提升其在TM波大角度入射下的吸收性能，最終的超表面吸波器引入了垂直超表面結構來對垂直電場進行響應。在水平超表面中，電阻加載的異形十字架可建模為串聯RLC電路，其電阻、電感、電容分別為R、L、C。周圍引入的4個方形貼片與十字型結構及相鄰周期單元的貼片之間會產生耦合，可建模為并聯電容C2，介質襯底和空氣層建模為傳輸線，其等效電路圖如圖3所示。經過優化的電路元件參數為。周圍新增的4個方形貼片引入額外的并聯電容后，可以在不影響輸入電導的情況下調節超表面吸波器的輸入電納與空氣匹配，從而優化吸波性能。

為說明水平超表面尺寸誤差對超表面吸波器性能的影響，對超表面吸波器進行了參數研究，結果如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，可以通過調節周圍正方形貼片的邊長W調整水平超表面的輸入電納，從而縮減正入射時的吸收帶寬來提升超表面吸波器TE波入射下的角度穩定性。主要影響電容Cl的大小，由圖5可以看出，當L增大時，0°入射下TE波的吸收帶寬有所提升，但60°入射下TE波的吸收率下降。為保證超表面吸波器在60°的吸收性能，最終L的尺寸為21.7mm。超表面I和超表面Ⅱ構成的吸波器性能對比如圖6所示。在正入射時，其吸收帶寬有所縮減，在TM波大角度入射下的性能基本不變，而TE波大角度入射下的吸收性能得到了大幅度提高，這得益于等效電容C2的引入，通過C2獨立調控吸波器的輸入電納，使得大角度TE波入射下實現了更好的阻抗匹配。

最終優化的由超表面Ⅱ與金屬地板構成的超表面吸波器的性能在圖7中給出。對于TE波入射，該超表面吸波器在正入射條件下實現了2.39～5.05GHz（相對帶寬為71.5%）反射系數小于-10dB的吸收帶寬，且當入射角度增加到60°時仍然能保持良好的吸收性能。對于TM波入射，在入射角度增大時，該超表面吸波器的吸收帶寬與吸收幅度都大幅縮減。圖8為等效電路模型的計算結果與電磁仿真結果的對比，可以看出，電磁仿真結果與等效電路模型的計算結果一致，驗證了所提出的等效電路的有效性。

基于水平超表面的等效電路模型對該吸波器的性能進行分析，在斜入射TM波下，吸波器的吸收性能急劇降低主要是由于短路傳輸線的輸入導納降低引起阻抗失配，因此需要引入額外的結構來改變短路傳輸線的輸入導納特性。為了提升超表面吸波器在TM波入射下的角度穩定性，在FR4基板和金屬地板中間加入了“I”字形的垂直超表面結構，其結構示意如圖1（c）所示。圖9給出了加入垂直超表面結構后的超表面吸波器在TE波和TM波入射下的性能。在加入垂直超表面后，TE波入射下的吸收性能沒有發生太大變化，而TM波大角度入射下的吸收率以及吸收帶寬都得到了提升。

垂直超表面的電場分布如圖10所示。可以看出，對于TE波入射，垂直“I”字形超表面的表面電流較小，且隨入射角度變大其表面電流分布基本不變，這是由于該垂直“I”字形超表面對橫向電場響應較弱，且不對磁場響應，引入這種垂直“I”字形超表面不會改變對TE波的吸收性能。在TM波入射的情況下，垂直“I”字形超表面對縱向電場有明顯的響應。當入射角變大時，其表面電流強度也越大，所以含垂直“I”字形超表面的超表面吸波器對大角度入射的TM波有良好的吸收效果。

垂直“I”字形超表面的長度tl與寬度Wd影響其等效電感，是對TM波吸收性能的關鍵參數，其參數分析如圖11和圖1 2所示。垂直“I”字形超表面對電磁波正入射下吸波器的吸收性能幾乎沒有影響。經過參數優化，最終在總厚度為0.126的正入射條件下，實現了2.40～5.06GHz（相對帶寬為71.3%）反射系數小于-10dB的吸收帶寬，其中為最低工作頻率處的波長。此外，當入射角從Oo增加到60°時，TE波和TM波在3.04～5.06GHz（相對帶寬為49.9%）保持其吸收特性。該設計與現有超表面吸波器性能比較如表2所示。所提出的超表面吸波器能同時實現低剖面與寬帶吸收的特性，并且當入射角增加到60°時，對TE與TM波仍能有49.9%的相對吸收帶寬。

4結束語

本文提出了一種水平和垂直超表面結合的超表面吸波器，設計了一種低表面導納的水平超表面結構并將其置于金屬地板上構成對TE波響應良好的超表面吸波器。利用垂直“I”字型超表面只對縱向電場進行響應的特性，解決了傳統的水平超表面吸波器在TM波入射下難以保持廣角度穩定吸收的問題。設計出一款同時在TE波和TM波大角度入射下都能維持良好吸收性能的超表面吸波器。經過HFSS仿真驗證了所提出設計的有效性。仿真結果顯示，本文所設計超表面吸波器對正入射TE波和TM波的相對吸收帶寬為71.3%，當入射角增加到60°時其相對吸收帶寬保持49.9%，此外吸波器的厚度僅為0.126。