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，四分之一波長的厚度條件就會失效，因此，傳統(tǒng)吸波材料難以同時達(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，其產(chǎn)生的電磁響應(yīng)，產(chǎn)生了新的電磁損耗。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于微波頻率的具有三個諧振吸收峰極化獨(dú)立的超材料吸波器，其金屬周期單元由兩個不同形狀和尺寸的開口諧振結(jié)構(gòu)組成。基于對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)計算超材料吸波器的微波吸收特性，分析電場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，測試結(jié)果驗(yàn)證了仿真與計算結(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。吸波器由兩個金屬層和一個位于兩個金屬層中間的介質(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 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，其中三個峰值4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的吸收率分別達(dá)97%、99%和97%。三個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比結(jié)果，表明當(dāng)兩種不同的諧振結(jié)構(gòu)集成為一個諧振單元時，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?；趥鬏斁€理論利用等效的電磁參數(shù)計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的趨勢，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，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)計的三頻帶超材料吸波器在電磁諧振下的吸收特性，在三個吸收峰處分別添加場監(jiān)視器，當(dāng)電磁波垂直入射到超材料吸波器表面時，圖5 為吸波器在三個諧振吸收峰 4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的電場分布，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)計的吸波器的第一和第三個吸收峰主要由Absorber-A 產(chǎn)生，而第二個吸收峰主要由Absorber-B 產(chǎn)生。圖6 為吸波器在三個諧振吸收峰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)。可見，吸收峰處電響應(yīng)和磁響應(yīng)同時被激發(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)的對電磁波吸收的能力。

圖5 超材料吸波器在三個吸收峰處的電場分布

圖6 超材料吸波器在三個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量

仿真與計算結(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)證仿真與計算結(jié)果的正確性及超材料吸波器設(shè)計的有效性，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)吸波材料反射率測量。為防止周圍電磁環(huán)境的干擾，測試均在微波暗室中進(jìn)行。實(shí)際測量前，首先利用與待測樣品尺寸相同的銅板進(jìn)行反射率校準(zhǔn)，然后對樣品進(jìn)行實(shí)際測量。圖7（b）為制備的超材料吸波器的測量與仿真反射率對比曲線，由圖可知，實(shí)際測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)具有三個強(qiáng)吸收峰，且在三個吸收峰4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 處的吸收率均達(dá)95%以上。基于對稱模型，提取了超材料吸波器的等效電磁參數(shù)，通過分析電場分布和表面電流分布對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)計的超材料吸波器對其進(jìn)行實(shí)際測量，驗(yàn)證了仿真與計算結(jié)果的正確性。