0 引言

    吸波材料是能夠?qū)⑷肷涞狡浔砻娴碾姶挪ㄞD(zhuǎn)換成其他形式能量的一類材料，通過減少透射和反射，展現(xiàn)出吸波特性。根據(jù)不同的吸波機(jī)理，吸波材料可以分為很多種。超材料作為一種人工電磁材料，具有自然界常規(guī)材料所不具有的超常物理特性，其中超材料吸波器（metamaterial  absorber）在近幾年得到廣泛關(guān)注。TAO H等人利用改進(jìn)的單元結(jié)構(gòu)制備出了作用于太赫茲波段的吸波材料^[1]。LEE J等人利用較為復(fù)雜的單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙頻帶的超材料吸波器^[2]。現(xiàn)如今，單一頻點(diǎn)和多頻點(diǎn)的吸波器已經(jīng)逐漸不能滿足復(fù)雜的電磁波環(huán)境的應(yīng)用需求，因此，寬帶電磁超材料吸波器^[3-8]越來越受到工程研究人員的重視，各式各樣的寬帶超材料吸波器也不斷被設(shè)計(jì)出來，寬帶吸波器的發(fā)展迎來了高峰。

    本文通過加載集總電阻，設(shè)計(jì)了一種工作在X波段的超材料寬帶高吸收率吸波器，而且其結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)加工。利用電磁仿真軟件對吸波器進(jìn)行仿真得出，對于8.4～13.6 GHz頻率范圍內(nèi)的入射波有著90%的吸收率，在10.3～13.1 GHz頻率范圍有著99%的吸波率。在其吸波帶內(nèi)，對于入射波能實(shí)現(xiàn)寬入射角的吸收效果。

1 超材料吸波器的原理和設(shè)計(jì)

    等效媒質(zhì)理論^[9-12]是常用的超材料吸波器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。吸波器的吸收率可以表示為：

    當(dāng)反射率盡可能小時(shí)，吸收率達(dá)到最大。反射率|S11|²的大小取決于吸波器表面阻抗與自由空間波阻抗的匹配程度。假設(shè)自由空間的波阻抗為Z₀，吸波材料的阻抗為Z₁，則反射系數(shù)為：

    本文設(shè)計(jì)的超材料吸波器單元遵循典型的3層結(jié)構(gòu)，上層為開口金屬環(huán)加載集總電阻，中間層采用有損耗的FR-4介質(zhì)基板，底層為全金屬背板，其單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。開口環(huán)和背板均采用金屬銅，電導(dǎo)率為σ=5.8×10⁷ S/m，介質(zhì)基板的介電常數(shù)為ε=4.3 ，損耗角正切為t_d=0.025 。全金屬背板可以有效防止透射。開口金屬環(huán)為外方內(nèi)圓結(jié)構(gòu)，開口處加載了2個(gè)集總電阻。在電磁波入射時(shí)，通過電阻的歐姆損耗可以有效地將入射電磁波的感應(yīng)電流能量耗散掉，實(shí)現(xiàn)對入射波的吸收最大化。同時(shí)，該吸波器在大入射角的情況下依舊能保持高吸收率。

    利用商用的電磁仿真軟件CST Microwave Studio對建立的吸器模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：晶格常數(shù)P=14.2 mm，金屬環(huán)邊長L=9.5 mm，內(nèi)圓弧半徑R=3.8 mm，開口寬度w=1.7 mm，加載的電阻r=270 Ω，F(xiàn)R-4基板的厚度d=3 mm，銅膜的厚度為0.035 mm，方便生產(chǎn)加工，開口金屬環(huán)和底板入射波的電場沿y軸方向，磁場沿x軸方向，波矢量沿-z軸方向。仿真得到的該吸波器的吸收率如圖2所示。由圖可知，吸波器的工作頻段基本覆蓋X波段，90%吸波率頻帶為8.4～13.6 GHz，相對吸波帶寬為47.3%，99%吸波率帶寬為10.3～13.1 GHz，相對吸波帶寬為23.9%。

2 仿真分析和原理闡述

    下面分析吸波器在斜入射條件下的吸收效果。圖3所示為吸波器在TE極化模式(電場E方向保持不變，磁場H方向改變)下，吸收率變化的曲線?？梢钥闯霎?dāng)入射角在不超過45°的范圍內(nèi)，90%吸波帶寬變化不大，但是吸波帶隨著入射角的增大有明顯的藍(lán)移現(xiàn)象。這是因?yàn)殡S著入射電磁波角度的增大，入射波的磁場分量激勵(lì)起的表面電流變小，電流路徑變短，諧振點(diǎn)往高頻移動(dòng)，所以宏觀表現(xiàn)為吸波帶藍(lán)移。當(dāng)入射角達(dá)到45°時(shí)，整個(gè)吸波帶內(nèi)的吸收率下降開始加快?？傮w來說，吸波器對于45°內(nèi)斜入射電磁波有著良好的吸波效果。

    為了闡述寬帶吸收效果產(chǎn)生的原理，對吸波器的表面電流分布進(jìn)行分析。圖4為吸波器吸收峰值頻率 f=12.7 GHz處的吸波器表面電流分布，箭頭方向代表電流的流向，箭頭疏密程度反應(yīng)了表面電流的大小。對于吸收峰值頻率f=12.7 GHz處，可以看到在諧振時(shí)，金屬環(huán)表面的感應(yīng)電流要明顯高于底板，這是因?yàn)槿肷洳ǖ碾妶龇至吭诮饘侪h(huán)上激起了電諧振。金屬環(huán)上的感應(yīng)電流和背板上的感應(yīng)電流方向相反，形成了等效環(huán)流，這說明入射電磁波的磁場分量在金屬環(huán)和底板之間產(chǎn)生了磁諧振，強(qiáng)烈的電磁諧振使得吸波器對入射波實(shí)現(xiàn)完美吸收。

    進(jìn)一步分析電場的分布，如圖5所示。電場分布表明，入射電磁波的電場分量與金屬環(huán)產(chǎn)生了電偶極子響應(yīng)，在外電場的驅(qū)動(dòng)下，電場主要集中在金屬環(huán)上。對于吸收峰值頻率f=12.7 GHz處，金屬環(huán)上下部分內(nèi)外兩側(cè)存在少量能量損耗，而大部分能量在金屬環(huán)開口處和加載的集總電阻上以金屬損耗和歐姆損耗的形式被消耗掉。

3 實(shí)驗(yàn)

    為了驗(yàn)證吸波器的吸波效果，依照經(jīng)過CST仿真優(yōu)化過的結(jié)構(gòu)參數(shù)加工出有限單元大小的吸波器實(shí)驗(yàn)樣品，尺寸為284 mm×284 mm，一共有20×20個(gè)單元結(jié)構(gòu)，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)樣品采用有損耗的FR-4介質(zhì)基板，厚度為3 mm，介電常數(shù)為ε=4.3。表面金屬環(huán)和背板均采用金屬銅，厚度為0.035 mm，電導(dǎo)率為σ=5.8×10⁷ S/m。加載的集總電阻采用0603封裝的貼片電阻，阻值為r=270 Ω，尺寸為1.6 mm×0.8 mm×0.4 mm，正好契合金屬環(huán)開口大小，方便焊接。在微波暗室中，采用自由空間測試法，如圖7所示，使用Agilent N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，輸出端連接一個(gè)1～18 GHz的寬帶雙脊喇叭天線，輸入端分別連接6～8 GHz、8～12 GHz、12～14 GHz的矩形喇叭天線對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行測試。把待測的實(shí)驗(yàn)樣品放置在微波暗室中間，收發(fā)天線對稱放置，且與吸波器的法線夾角很小，可以忽略。測試結(jié)果如圖8所示。

    根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，吸波器實(shí)驗(yàn)樣品在頻率  8.00～13.2 GHz 波段吸收率高于 90%。吸波帶整體有一定的紅移現(xiàn)象并且吸波峰值略低于仿真值，這可能是實(shí)驗(yàn)樣品的加工存在誤差和測試系統(tǒng)的精度不足導(dǎo)致的。此外，用20×20個(gè)單元結(jié)構(gòu)模擬無限大周期結(jié)構(gòu)也會(huì)對實(shí)測結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種加載集總電阻的金屬環(huán)形寬帶高吸收率電磁超材料吸波器，90%吸波頻帶8.4～13.6 GHz，相對吸波帶寬47.3%；99%吸波率帶寬為10.3～13.1 GHz，相對吸波帶寬為23.9%。工作頻段基本覆蓋了X波段。其厚度僅為最大工作波長的6%，實(shí)現(xiàn)了超薄的設(shè)計(jì)要求。通過仿真研究可以看到，在工作頻帶內(nèi)，該吸波器對于45°以內(nèi)的入射電磁波都能保持90%以上的吸收率?？偟膩碚f，這種超薄、寬帶、高吸收率的超材料吸波器在無線通信、天線、隱身和雷達(dá)探測等方面，尤其是針對X波段雷達(dá)的探測與隱身方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。

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作者信息：

于榭彬，宋耀良，范事成

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094）