馮一軍，朱 博，徐培華，趙俊明，姜 田

(南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210093)

1 前言

人工電磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)，代表一類介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可人為控制、各參量可正可負(fù)的新型人工復(fù)合電磁材料。一般情況下，超材料的電磁參數(shù)呈現(xiàn)出各向異性的特征，而左手材料則是其中一種各向同性的特例。電磁超材料具有自然界中原有材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)，其中出現(xiàn)了許多全新的物理現(xiàn)象[1－7]，特別值得指出，近來(lái)利用人工電磁材料的獨(dú)特電磁性質(zhì)設(shè)計(jì)電磁波完美吸波材料(Perfect Absorber)成為電磁超材料研究中的另一個(gè)熱點(diǎn)。深入研究電磁超材料的物理學(xué)基礎(chǔ)和電磁學(xué)基礎(chǔ)可大大拓展與深化人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，對(duì)于揭示出自然界基本規(guī)律具有根本性意義。同時(shí)，超材料突破并拓寬了自然界現(xiàn)有材料的電磁性質(zhì)，其獨(dú)特性質(zhì)能夠有效地提高電磁器件的性能，甚至有可能設(shè)計(jì)出具突破性的新型器件，有望給信息、軍事等行業(yè)帶來(lái)重要變革。電磁超材料已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、電磁學(xué)、光學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文首先簡(jiǎn)要分析了人工電磁超材料的目前研究水平和發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而介紹了一系列運(yùn)用人工電磁超材料的微波吸波材料與結(jié)構(gòu)，包括全極化電磁波吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于手征超材料結(jié)構(gòu)的微波吸波材料結(jié)構(gòu)、頻譜可調(diào)節(jié)電磁波吸波結(jié)構(gòu)、反射吸收可切換的微波吸波結(jié)構(gòu)等。這些器件運(yùn)用人工超材料的特殊物理特性和參數(shù)可設(shè)計(jì)性，具有全新的功能和優(yōu)勢(shì)，有效提高了對(duì)電磁波的調(diào)控能力，具有實(shí)際應(yīng)用前景。

2 人工電磁超材料的發(fā)展概況

2.1 國(guó)外超材料研究水平和發(fā)展趨勢(shì)

超材料的概念最早由俄國(guó)科學(xué)家V.G.Veselago在1968年提出[1]。2001年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的D.R.Smith教授等人根據(jù)英國(guó)科學(xué)家Pendry等人的建議，利用以銅和介質(zhì)為主的復(fù)合材料首次在微波波段實(shí)現(xiàn)了具有等效負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，并在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了其具有雙負(fù)參量的左手材料性質(zhì)[2]，從而引發(fā)了以左手材料為代表的超材料研究熱潮[3]。

超材料具有許多與通常的電磁材料完全不同的奇特性質(zhì)。首先，雙負(fù)等效電磁參量導(dǎo)致電磁波在其中傳播時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)與電磁波波矢量的方向三者滿足左手法則(常規(guī)電磁介質(zhì)中三者滿足右手法則);因此電磁波能流方向與電磁波傳播方向反向平行，電磁波的群速度方向與相速度方向相反，從而具有反向波(Backward Wave)的特性，由此會(huì)產(chǎn)生反向的多普勒(Doppler)效應(yīng)和反向的Cherenkov效應(yīng)[7]。其次，雙負(fù)等效電磁參量還將導(dǎo)致負(fù)的折射率，形成負(fù)折射特性，這是與我們熟知的折射完全相反的奇特現(xiàn)象。2001年圣地亞哥分校小組首先在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了微波頻段的負(fù)折射現(xiàn)象[2]，從而被美國(guó)《科學(xué)》周刊評(píng)選為2003年世界十大科學(xué)成就之一[8]。基于負(fù)電磁參數(shù)的性質(zhì)，J.B.Pendry還提出了由此可構(gòu)成“理想透鏡”(Perfect Lens)，它可以突破傳統(tǒng)透鏡的衍射極限(Diffraction Limit)，對(duì)電磁波近場(chǎng)進(jìn)行成像，從而獲得遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的超分辨率[4]。

電磁超材料之所以具有如此多的獨(dú)特性質(zhì)，在于其電磁參量(介電常數(shù)和磁導(dǎo)率)突破了傳統(tǒng)材料的局限，兩者均可人工設(shè)計(jì)和調(diào)控。左手材料或電磁超材料的工作頻率與其諧振單元的尺寸相關(guān)，目前左手材料或電磁特異材料的制備方法日趨成熟，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)并制備出了微波段[2]、毫米波段[9]、太赫茲[10]、紅外[11]的左手材料或電磁特異材料。最近，美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校的張翔教授領(lǐng)導(dǎo)的小組成功制備了可見(jiàn)光光波段的三維超材料，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光的負(fù)折射[12－13]，為超材料的光學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，引起了全球科學(xué)界的關(guān)注。

2.2 超材料實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波吸波和隱身

左手材料出現(xiàn)后，許多學(xué)者都提出了左手材料的獨(dú)特電磁性質(zhì)可以應(yīng)用于電磁波吸收材料和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)金屬目標(biāo)的隱身。例如，美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)的N.Engheta教授就提出了利用左手材料的負(fù)電磁參數(shù)構(gòu)造高阻抗表面，從而實(shí)現(xiàn)薄板電磁波吸波結(jié)構(gòu)[5];又如，利用左手材料中的電磁諧振結(jié)構(gòu)，對(duì)其電磁參數(shù)進(jìn)行可控設(shè)計(jì)，可針對(duì)特定頻段實(shí)現(xiàn)吸波，材料厚度只有二十分之一波長(zhǎng)[14]，等等。左手材料或電磁超材料具有較大的損耗，其電磁參量可以用復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率來(lái)描述。通常情況下，人們?cè)诶眠@種材料時(shí)希望減小其材料損耗對(duì)應(yīng)用的影響，因此絕大多數(shù)研究都著眼于如何減小左手材料或電磁超材料的損耗。然而N.I.Landy等人提出了利用電磁超材料實(shí)現(xiàn)電磁波完美吸波材料或結(jié)構(gòu)的新概念，充分利用了電磁超材料的強(qiáng)諧振損耗性質(zhì)[6]。通過(guò)合理設(shè)計(jì)超材料電磁參數(shù)，使它的波阻抗與空氣匹配，同時(shí)利用電磁特異材料的諧振損耗實(shí)現(xiàn)完美吸波。他們所設(shè)計(jì)制備的特異材料吸波結(jié)構(gòu)，理論上可實(shí)現(xiàn)100%吸波，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在11.5 GHz單層材料(約0.8 mm厚)微波吸收率達(dá)88%。

超材料一般是基于電磁諧振的結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)十分類似于納米磁性薄膜吸收劑中的磁諧振，但其優(yōu)勢(shì)在于:其既有磁諧振又有電諧振，兩者可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。電磁諧振的結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致其電磁參數(shù)存在強(qiáng)色散特性，因此只在一個(gè)較窄的頻段內(nèi)表現(xiàn)出理想吸波特性，所以超材料構(gòu)成的吸波材料或結(jié)構(gòu)是一種窄帶吸波結(jié)構(gòu)。這種窄帶吸波結(jié)構(gòu)可以用于解決吸波材料的低頻問(wèn)題，屏蔽或吸收特定通信或雷達(dá)探測(cè)頻段的信號(hào)，適用于針對(duì)特定頻率雷達(dá)的隱身、特定雷達(dá)罩結(jié)構(gòu)、抗電磁干擾、信息安全等應(yīng)用場(chǎng)合。

2006年，英美科學(xué)家又提出了基于超材料的電磁隱身技術(shù)新概念(Electromagnetic Cloaking，電磁隱身衣結(jié)構(gòu))。基于電磁波傳播的Maxwell方程的空間坐標(biāo)變換不變性，通過(guò)空間變換設(shè)計(jì)電磁材料參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電磁波在人工電磁材料中傳播路徑的彎曲[15]。應(yīng)用這一理論合理設(shè)計(jì)人工電磁材料的電磁參數(shù)，可使入射電磁波完全在覆蓋于目標(biāo)外的人工電磁超材料中繞射傳播，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的完全隱身。隨后，美國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上完全驗(yàn)證了電磁波彎曲繞射傳播新概念，實(shí)現(xiàn)了微波頻段的金屬目標(biāo)隱身[16]。以新型人工電磁材料為基礎(chǔ)的新概念電磁波隱身理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證再次被美國(guó)《科學(xué)》雜志(2006年12月22號(hào))評(píng)為2006年的十大科技突破之一[17]。這種隱身技術(shù)新概念與運(yùn)用吸波材料實(shí)現(xiàn)隱身的概念不同，它不是將雷達(dá)波能量通過(guò)材料吸收，而是通過(guò)設(shè)計(jì)特定人工電磁材料使雷達(dá)波繞過(guò)武器目標(biāo)，而不產(chǎn)生回波。

2.3 美歐軍事強(qiáng)國(guó)重視和支持超材料研究

電磁超材料是對(duì)傳統(tǒng)電磁材料的拓展和突破，它所具有的奇特性質(zhì)，如反向波特性、負(fù)折射特性、諧振吸波特性等，是對(duì)傳統(tǒng)電磁現(xiàn)象的突破，可以據(jù)此設(shè)計(jì)出高性能、新型電子材料和器件。隨著大量研究工作的不斷深入，人們對(duì)這種新材料的理論、特性和應(yīng)用前景逐漸清晰。

目前，國(guó)際上對(duì)超材料研究十分重視，美歐軍事強(qiáng)國(guó)也十分關(guān)注其可能形成的重要軍事應(yīng)用價(jià)值，積極組織力量開(kāi)展這方面的研究工作，并不斷取得突破。早在2000年底，美國(guó)國(guó)防部“國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署”－DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)就專門啟動(dòng)了關(guān)于超材料的研究計(jì)劃[18]，旨在聯(lián)合美國(guó)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的研究?jī)?yōu)勢(shì)對(duì)超材料進(jìn)行攻關(guān);歐美國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)與政府均已看到了這種新型人工電磁材料的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、國(guó)防應(yīng)用潛力，高度重視其研究和開(kāi)發(fā)。如歐共體聯(lián)合協(xié)調(diào)項(xiàng)目METAMORPHOSE(MetaMaterials Organized for Radio，Millimeter Wave，and Photonic Superlattice Engineering)，由24個(gè)歐洲大學(xué)參與研究新型超電磁材料，目前已經(jīng)轉(zhuǎn)入第二階段[19]。

美國(guó)軍方和各大基金會(huì)(如美國(guó)國(guó)防部“國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署”DARPA、海軍研究辦公室ONR、空軍科學(xué)研究辦公室AFSOR、自然科學(xué)基金會(huì)NSF等)都已開(kāi)始大力支持新型超材料的研究。法國(guó)、德國(guó)、意大利、西班牙、日本、新加坡等國(guó)，在該研究方面也都投入了許多研究經(jīng)費(fèi)。

目前，美歐軍方看好超材料有可能在隱身技術(shù)、武器裝備中微波器件小型化和小型高效天線上實(shí)現(xiàn)的突破，這對(duì)提高通信和電子戰(zhàn)能力尤為重要，因此積極支持超材料相關(guān)的基礎(chǔ)和預(yù)研研究。

3 電磁超材料在微波吸波材料中的應(yīng)用

本節(jié)重點(diǎn)圍繞我們近年來(lái)在超材料研究上的進(jìn)展，介紹全極化電磁波吸波結(jié)構(gòu)、基于手征超材料結(jié)構(gòu)的微波吸波材料結(jié)構(gòu)、頻譜可調(diào)節(jié)電磁波吸波結(jié)構(gòu)、反射吸收可切換的微波吸波結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)和性能分析。

3.1 全極化微波吸波結(jié)構(gòu)

N.I.Landy等人首先提出了單極化的超材料吸波結(jié)構(gòu)，但它不能對(duì)任意極化的電磁波有效吸收[6]。為了克服這一缺點(diǎn)，開(kāi)展了能有效吸收任意極化電磁波的全極化超材料吸波結(jié)構(gòu)研究，如圖1所示。單元結(jié)構(gòu)正面是4個(gè)正交放置的電諧振器 (ELC)，背面是金屬結(jié)構(gòu)，中間是介質(zhì)基片。ELC與入射波電場(chǎng)分量發(fā)生強(qiáng)烈的耦合而與磁場(chǎng)分量耦合較弱，會(huì)在一定頻率上諧振，體現(xiàn)出等效的色散介電常數(shù)。穿過(guò)ELC和背面金屬結(jié)構(gòu)之間介質(zhì)部分的入射波磁場(chǎng)分量會(huì)在ELC和金屬結(jié)構(gòu)上感應(yīng)出方向相反的電流，使單元結(jié)構(gòu)與入射場(chǎng)之間形成磁耦合和磁諧振，從而使單元結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出等效的色散磁導(dǎo)率。由于單元的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別取決于ELC以及ELC與背面金屬結(jié)構(gòu)之間的間隙，所以單獨(dú)調(diào)節(jié)ELC的尺寸和介質(zhì)厚度就可以相對(duì)獨(dú)立的改變電諧振和磁諧振，從而調(diào)節(jié)等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)單元的波阻抗與空氣基本匹配。并且電磁諧振將導(dǎo)致較大諧振損耗，形成較大的折射率虛部，達(dá)到同時(shí)減小結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的透射系數(shù)和反射系數(shù)，實(shí)現(xiàn)吸波的目的[20]。

圖1 (a)單元結(jié)構(gòu)的立體圖，(b)復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 (a)the unit-cell and(b)photo of the absorber

圖2 給出了垂直入射時(shí)的仿真及測(cè)量結(jié)果，在9.5 GHz可以觀察到92%的能量吸收峰，實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)吻合良好，由于該結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此對(duì)入射波極化方式不敏感。

圖2 仿真和測(cè)量得到的電磁波傳輸，反射和吸收系數(shù)Fig.2 Simulations and measurements of the transmission，reflection，and absorption

進(jìn)一步研究了斜入射情況下樣品的吸波特性。圖3給出了TE波斜入射情況下的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于TE波，正入射時(shí)吸收系數(shù)高于90%，隨著入射角度加大吸收強(qiáng)度逐漸下降，但60°的吸收系數(shù)仍大于73%。吸收峰的位置隨角度有0.05 GHz偏移。在這種人工結(jié)構(gòu)中，電磁能量的吸收一部分來(lái)源于諧振時(shí)金屬上的歐姆損耗，在較大入射角度時(shí)，TE波磁場(chǎng)分量在吸波結(jié)構(gòu)平面上的投影分量變小，使得金屬上的感應(yīng)電流強(qiáng)度變小，進(jìn)而歐姆損耗變小，吸波強(qiáng)度減弱。然而，從以上結(jié)果可以清楚地看出該吸波結(jié)構(gòu)對(duì)小于60°角的入射波吸收性能良好。

圖3 不同角度斜入射下測(cè)量的吸收系數(shù)Fig.3 Measured absorption under different incident angles

3.2 基于手征超材料的電磁波吸波結(jié)構(gòu)

手征材料(Chiral Material)具有電磁波吸波能力，但傳統(tǒng)手征材料的手征性和手征參量比較弱，難以實(shí)現(xiàn)良好的吸波性能。采用超材料設(shè)計(jì)思想，人工設(shè)計(jì)手征諧振單元結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)手征性，使超材料實(shí)現(xiàn)較大手征參量?？赏ㄟ^(guò)研究手征超材料的性質(zhì)和設(shè)計(jì)方法，探索利用手征超材料實(shí)現(xiàn)電磁波吸波的新途徑。

在人工手征超材料的設(shè)計(jì)上，采用金屬磁性薄膜構(gòu)成的螺旋形構(gòu)造手征諧振結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期排列或隨機(jī)雜亂排列，形成了手征諧振型吸波平板結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)手征超材料結(jié)構(gòu)的電磁波仿真分析，發(fā)現(xiàn)其吸波性能與螺旋結(jié)構(gòu)的半徑密切相關(guān)，隨著半徑的增加，吸波性能增強(qiáng)，同時(shí)吸波峰將向低頻移動(dòng)，因此，可通過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)的半徑設(shè)計(jì)，調(diào)整吸波性能。

采用電子束蒸發(fā)沉積制備的磁性納米薄膜構(gòu)造圓柱筒形螺旋結(jié)構(gòu)，它方便制作，半徑和長(zhǎng)度也易于掌控。將螺旋筒單元規(guī)則嵌入泡沫平板制備了手征超材料結(jié)構(gòu)樣品，如圖4a所示。實(shí)際微波反射測(cè)量表明，該手征諧振結(jié)構(gòu)平板具有明顯的寬帶吸波性能，如圖4b所示。通過(guò)測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)螺旋筒半徑對(duì)于工作頻點(diǎn)的調(diào)節(jié)作用比較明顯，半徑變大，工作頻點(diǎn)向低頻端移動(dòng)，而螺旋筒長(zhǎng)度參量對(duì)于工作頻點(diǎn)的影響則比較小，它對(duì)吸波性能的影響主要體現(xiàn)在吸收幅度上，當(dāng)水平放置時(shí)長(zhǎng)度變大，吸收幅度變大，而當(dāng)垂直放置時(shí)長(zhǎng)度變小則吸收幅度變大。

圖4 (a)螺旋手征超材料平板結(jié)構(gòu)，(b)微波反射測(cè)試結(jié)果Fig.4 (a)spiral metamaterial board and(b)measured reflection data

3.3 可調(diào)節(jié)人工超材料電磁波吸波結(jié)構(gòu)

由于人工超材料的吸波性能主要由其中的單元諧振結(jié)構(gòu)決定，因此通過(guò)人為改變諧振結(jié)構(gòu)就可以方便地實(shí)現(xiàn)吸波頻譜的有效調(diào)節(jié)。例如，在吸波結(jié)構(gòu)中集成變?nèi)荻O管等可調(diào)器件，可以制作出擁有新穎可調(diào)功能的吸波結(jié)構(gòu)。

圖5a給出了一種頻譜響應(yīng)可調(diào)節(jié)的超材料吸波結(jié)構(gòu)單元，它由介質(zhì)基板頂層的電諧振單元，介質(zhì)基板以及介質(zhì)基板背面的整塊金屬層構(gòu)成，在電諧振單元中央的垂直導(dǎo)體上加載了微波變?nèi)莨?。?dāng)極化方向沿著中央導(dǎo)體方向的電磁波入射到單元時(shí)，單元的金屬結(jié)構(gòu)上將產(chǎn)生誘導(dǎo)電流并輻射散射電磁場(chǎng)，以使總電磁場(chǎng)滿足單元的邊界條件。由于單元是遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的，我們可以使用電路概念分析單元的特性。電諧振單元的金屬部分可視為電感，當(dāng)高頻電流流過(guò)時(shí)對(duì)其有阻抗作用。變?nèi)莨芸梢杂秒娮韬碗娙莸拇?lián)模型來(lái)表征，電阻反映了變?nèi)莨茏陨淼臍W姆損耗，而電容則代表一定的直流偏置電壓下變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容。因此，頂層的電諧振單元是一個(gè)可調(diào)節(jié)的阻抗網(wǎng)絡(luò)。此外，頂層的電諧振單元和介質(zhì)基板背面的金屬板構(gòu)成了磁諧振器，可被磁場(chǎng)激勵(lì)而發(fā)生諧振。由于整個(gè)單元的尺度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)又同時(shí)具備電、磁諧振特性，所以具有色散的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容，我們可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的這兩個(gè)等效參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在不同頻率上單元結(jié)構(gòu)的波阻抗與自由空間匹配，并達(dá)到吸波的目的。

根據(jù)仿真優(yōu)化得到的模型尺寸參數(shù)，使用印刷電路板技術(shù)在0.8 mm厚的FR4介質(zhì)板上制作了相應(yīng)樣品。樣品的尺寸約為200 mm×200 mm(圖5b)。選用SKYWORKS出品的SMV1231－011變?nèi)莨芗稍趩卧?。樣品的仿真和測(cè)量結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)當(dāng)偏置電壓增加時(shí)，因每個(gè)變?nèi)荻O管的PN結(jié)寬度增加結(jié)電容變小，單元的頻率響應(yīng)向高頻偏移，達(dá)到吸波頻率動(dòng)態(tài)可調(diào)的目的。對(duì)應(yīng)的吸收峰調(diào)節(jié)范圍為8.47～8.93 GHz。半功率吸收帶寬約為5%。隨著吸收峰的移動(dòng)，吸收強(qiáng)度略有變化，其原因是當(dāng)變?nèi)莨茈娙葜惦S偏壓改變時(shí)，吸收峰頻率會(huì)發(fā)生移動(dòng)而強(qiáng)度會(huì)有所改變。

圖5 (a)頻率可調(diào)超材料吸波結(jié)構(gòu)單元，(b)樣品照片(X波段)Fig.5 (a)unit-cell of the tunable absorber and(b)sample photo(X band)

圖6 X波段頻譜響應(yīng)可調(diào)節(jié)吸波結(jié)構(gòu)的仿真和測(cè)量結(jié)果Fig.6 Simulation and measurement results of the tunable absorber in X band

3.4 雙頻段可切換人工電磁吸波結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中，器件的動(dòng)態(tài)可調(diào)性往往很重要。超材料吸波結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:其吸波性能由結(jié)構(gòu)單元的諧振性質(zhì)決定，因此，通過(guò)改變單元諧振性質(zhì)或結(jié)構(gòu)，可方便調(diào)節(jié)吸波響應(yīng)頻譜。我們?cè)诔牧衔ńY(jié)構(gòu)中集成微波二極管，研究了雙頻段可切換的吸波結(jié)構(gòu)。改變二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可使吸波性能在兩個(gè)頻帶上動(dòng)態(tài)切換。

圖7給出了吸波頻帶可切換的人工電磁吸波結(jié)構(gòu)，單元主要由兩個(gè)ELC吸波結(jié)構(gòu)通過(guò)加載二極管耦合在一起。單元正面由兩個(gè)正方形ELC上下擺放構(gòu)成，并在圖7中箭頭所示位置集成微波二極管形成耦合。單元背面是全金屬板，中間是介質(zhì)層。與之前介紹的吸波結(jié)構(gòu)不同，此設(shè)計(jì)中的ELC工作在偶極子諧振模式，而非LC諧振模式。偶極子諧振模式是周期排列ELC結(jié)構(gòu)的高階模式，諧振頻率一般高于LC諧振模式。當(dāng)入射波電場(chǎng)沿y軸極化時(shí)將激勵(lì)起ELC的偶極子模式，使之對(duì)入射波呈現(xiàn)出一定的諧振型等效介電常數(shù)。入射波磁場(chǎng)分量穿過(guò)ELC與背面金屬板，形成入射波與結(jié)構(gòu)的磁耦合，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的諧振型等效磁導(dǎo)率。

圖7 雙頻段可切換超材料吸波結(jié)構(gòu)單元示意圖和樣品照片F(xiàn)ig.7 Unit-cell and the sample photo of the due-band switchable metamaterial absorber

當(dāng)在結(jié)構(gòu)中集成二極管時(shí)，相當(dāng)于將二極管并聯(lián)在上下ELC之間的電容上，當(dāng)二極管截止時(shí)可等效為并聯(lián)了結(jié)電容，因而會(huì)使得諧振吸波頻率降低。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，可等效為一個(gè)電感，使得諧振吸波頻率有所上升。所以控制二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)吸波峰在兩個(gè)頻帶間切換。

圖8給出了雙頻帶吸波結(jié)構(gòu)的仿真和測(cè)量結(jié)果。當(dāng)二極管正向?qū)〞r(shí)，在2.94 GHz附近反射系數(shù)出現(xiàn)極小值，約為0.13左右;當(dāng)二極管反向截止時(shí)，反射系數(shù)極小值移動(dòng)到2.56 GHz左右，幅度約0.06。兩個(gè)工作頻率之差約0.38 GHz。

圖8 不同二極管偏壓下測(cè)量得到的反射系數(shù)和吸收率，以及仿真結(jié)果Fig.8 Simulations and measured reflection，absorption of the dueband switchable absorber

3.5 極化選擇反射和吸收切換

前述全極化吸波結(jié)構(gòu)是由正交擺放對(duì)極化敏感的ELC諧振環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)單元的極化不敏感性。諧振環(huán)對(duì)入射波中的正交分量是分別獨(dú)立工作的。因此以該設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，集成微波二極管，控制二極管的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)相互正交的極化分量獨(dú)立控制吸波狀態(tài)的新穎功能[21－22]。

圖9a給出了設(shè)計(jì)的極化選擇吸收結(jié)構(gòu)單元示意圖。單元由介質(zhì)基片、頂層正交放置的ELC諧振環(huán)和底層的金屬背板構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)吸波性能動(dòng)態(tài)可調(diào)，在兩金屬條之間的切口上集成連接微波二極管，如圖9b所示。A行和B行中的二極管連接至兩個(gè)獨(dú)立的偏置電路。

圖9 (a)極化選擇吸收結(jié)構(gòu)示意圖，(b)樣品照片F(xiàn)ig.9 Schematic(a)and the sample photo(b)of the polarization selective metamaterial absorber

在ELC諧振時(shí)，二極管兩端連接的ELC電極上將積累異號(hào)電荷。通過(guò)改變二極管的導(dǎo)通狀態(tài)就可以控制電荷的中和程度，從而改變諧振強(qiáng)度，進(jìn)而控制整個(gè)結(jié)構(gòu)的吸波特性。如果將一個(gè)方向上的二極管導(dǎo)通，另一個(gè)方向上的二極管截止，則整個(gè)吸波結(jié)構(gòu)就會(huì)對(duì)某種極化的入射波全部吸收，而對(duì)另一正交極化的入射波全反射，而對(duì)于除此以外其它極化方式的入射波則會(huì)部分吸收，使得反射波發(fā)生極化旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)具有極化選擇性的可控吸波。

圖10a是x極化波入射，A行二極管導(dǎo)通或截止對(duì)反射系數(shù)的控制。當(dāng)二極管截止時(shí)，在3.3 GHz處有一強(qiáng)吸收峰，而當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，吸收峰消失，結(jié)構(gòu)體現(xiàn)全反射特性。對(duì)于y極化波入射，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是相似的，如圖10b所示。以上結(jié)果說(shuō)明可以通過(guò)控制二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有選擇地吸收入射波中的正交極化分量。

圖10 不同二極管偏置狀態(tài)下x極化波(a)和y極化波(b)垂直入射時(shí)反射系數(shù)的仿真和測(cè)量結(jié)果Fig.10 Simulations and measurements of the reflection under normal incidence for(a)x－or(b)y－polarized waves

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了作者課題組在運(yùn)用人工電磁超材料設(shè)計(jì)研制微波吸波材料和結(jié)構(gòu)方面的一些探索工作。應(yīng)用人工超材料的特殊物理特性，可開(kāi)發(fā)出一系列電磁波調(diào)控新器件，進(jìn)而發(fā)展了電磁波操控的新方法，這些成果都具有實(shí)際應(yīng)用的前景。

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