李 易

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

超材料吸波體在近些年引起了人們的廣泛關(guān)注。自從2008年Landy[1]等第一次提出了完美吸波的超材料吸波體，人們開始深入研究這種通過達(dá)到阻抗匹配時(shí)的金屬結(jié)構(gòu)諧振和有損耗的電介質(zhì)對電磁波進(jìn)行損耗吸收的吸波體。之后，人們對超材料吸波體的研究慢慢擴(kuò)展開來，例如雙頻帶[2-3]、三頻帶、寬帶[4]和可調(diào)頻帶吸收。

本文采用6個(gè)同心金屬環(huán)相套的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)頻帶的吸波。由于組成該結(jié)構(gòu)單元的金屬方環(huán)具有四重旋轉(zhuǎn)對稱性，所以該結(jié)構(gòu)具有極化無關(guān)特性，又由仿真驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)具有入射不敏感特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文利用HFSS軟件進(jìn)行建模仿真，模型由真空腔，金屬背板，超材料介質(zhì)與金屬結(jié)構(gòu)四部分組成，如圖1所示：

圖1 仿真模型

圖2 結(jié)構(gòu)尺寸

真空腔體四周設(shè)置二個(gè)主從邊界條件用于控制入射波入射角度以及模擬無限周期單元，頂部設(shè)置floquet端口模擬無限遠(yuǎn)處發(fā)射來的平行入射波。

超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，由超材料介質(zhì)，金屬背板與金屬結(jié)構(gòu)三部分組成，超材料介質(zhì)為FR4材料，頂面為邊長a=18mm的正方形，厚度t=3mm，介電常數(shù)4.4，電損耗正切角0.02。金屬背板與金屬結(jié)構(gòu)材料都為銅，金屬結(jié)構(gòu)由6個(gè)同心方框組成，最大的方框邊長c=16mm，每個(gè)方框?qū)挾染鶠閑=0.6mm，方框間距均為w=0.2mm。

2 仿真分析

2.1 吸波率

反射率R=|S11|2，透射率T=|S21|2，吸波率A=1-|S11|2-|S21|2=1-R-T，其中S11為該吸波體的反射系數(shù)，S21為吸波體的傳輸系數(shù)。因?yàn)槟Ｐ椭械酌媸墙饘俚装?，沒有電磁波透射，所以|S21|2=0，則A=1-|S11|2=1-R。通過HFSS仿真得到該結(jié)構(gòu)在2GHz到7GHz頻段范圍內(nèi)的吸波效果如圖所示：

圖3 吸波率曲線

由圖3中可以看出一共有6個(gè)吸收波峰，2.5GHz處波峰較低，僅達(dá)到64.7%的吸波效率。其他5個(gè)波峰均達(dá)到了90%以上的吸波效率，在3.32GHz處效率為94.1%，在3.78GHz處效率為98.1%，在4.36GHz處效率為98.9%，在5.12GHz處效率為90.5%，在6.14GHz處效率為96.6%。該吸波體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在3.32GHz、3.78GHz、4.36GHz、5.12GHz以及6.14GHz這5個(gè)頻點(diǎn)處的完美吸波，而在2.5GHz處吸波效果不是很理想。

2.2 寬入射角特性

通過設(shè)置不同電磁波入射角度進(jìn)行仿真得到下圖結(jié)果：

圖4 不同入射角的吸波率曲線

從圖4中可以看到，在0°，20°，40°，60°以及80°這五種入射角度情況下，吸波率曲線變化不大，所以該結(jié)構(gòu)具有入射角不敏感特性。

2.3 諧振吸波

超材料吸波體是利用超材料的電磁諧振特性達(dá)到吸波功能的。在不同的諧振頻點(diǎn)處，超材料吸波體的不同區(qū)域發(fā)生電磁諧振將電磁波能量限制在吸波體內(nèi)，并轉(zhuǎn)化為熱能完成吸波。

為了更好地理解吸波原理，分別對6個(gè)諧振頻點(diǎn)處上層結(jié)構(gòu)與金屬底板上的電流分布進(jìn)行了仿真。

圖5 在2.5GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖5中可以看出，在2.5GHz處主要由最大的方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進(jìn)行吸收。

圖6 在3.3GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖6中可以看出，在3.3GHz處主要由從外到內(nèi)第二個(gè)方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進(jìn)行吸收。

圖7 在3.78GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖7中可以看出，在3.78GHz處主要由從外到內(nèi)第三個(gè)方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進(jìn)行吸收。

從圖8中可以看出，在4.36GHz處主要由從外到內(nèi)第四個(gè)方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進(jìn)行吸收?？梢钥吹诫娏鞣植枷蛴覀?cè)偏移。

圖8 在4.36GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

圖9 在5.12GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖9中可以看出，在5.12GHz處主要由從外到內(nèi)第五個(gè)方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在左右兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進(jìn)行吸收。

圖10 在6.14GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖10中可以看出，在6.14GHz處主要由最小的方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在兩個(gè)對角形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進(jìn)行吸收。通過上述結(jié)果，可以看出吸波結(jié)構(gòu)的不同部位，分別影響不同頻點(diǎn)的諧振吸波。

3 結(jié)束語

本文通過HFSS仿真設(shè)計(jì)了一種基于電磁超材料的具有6個(gè)頻帶吸波特性的吸波體。該吸波體擁有在2.5GHz、3.32GHz、3.78GHz、4.36GHz、5.12GHz、6.14GHz等6個(gè)頻點(diǎn)處的吸波峰值，只有在2.5GHz處吸波率僅達(dá)到64.7%，其他5個(gè)頻點(diǎn)均達(dá)到了吸波率90%以上的完美吸波。此外由于該結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對稱性，因而具有極化不敏感特性，又經(jīng)由仿真驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)具有寬入射角特性，該超材料吸波體在雷達(dá)隱身領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。