王蒙軍 ,戶天宇 ,雷曉勇 ,吳 迪 ,孔丹丹

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,天津 300401;2.電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300401)

超材料是一種由亞波長(zhǎng)諧振單元組成的人工復(fù)合材料,因其具有超常規(guī)性質(zhì)在光學(xué)、材料學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域受到人們廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)吸波體,基于超材料的吸波體具有厚度薄、吸收率高、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn),并廣泛應(yīng)用于傳感[1]、雷達(dá)成像[2]、天線系統(tǒng)[3]等領(lǐng)域。

2008 年,Landy 等[4]首次提出了超材料吸波體的概念,其結(jié)構(gòu)由金屬開口諧振環(huán)和微帶線置于介質(zhì)板的兩側(cè)組成,通過(guò)合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)單元使表面阻抗與自由空間阻抗相匹配,實(shí)現(xiàn)了單頻點(diǎn)完美吸收。然而,早先的超材料吸波體帶寬較窄,限制了其應(yīng)用范圍,為了拓展帶寬,研究人員做了大量工作。2013 年Yang等[5]通過(guò)堆疊多個(gè)不同尺寸的金屬共振結(jié)構(gòu),提出了一款擴(kuò)大帶寬的超材料吸波體,在4.79～5.04 GHz 頻率范圍內(nèi)吸收率高達(dá)90%。2015 年,漢陽(yáng)大學(xué)Kim等[6]設(shè)計(jì)了一款偏振無(wú)關(guān)的雙寬帶超材料吸波體,周期性陣列由金屬-電介質(zhì)多層截錐組成,結(jié)果表明在3.93～6.05 GHz 和11.64～14.55 GHz 兩個(gè)帶寬范圍內(nèi),吸收率均在90%以上。隨著技術(shù)的發(fā)展,2016 年西安電子科技大學(xué)Shi 等[7]通過(guò)加載集總電阻設(shè)計(jì)了一種超材料吸波體,在6～16.2 GHz 實(shí)現(xiàn)了超寬帶吸收,當(dāng)入射角小于45°時(shí),該吸波體的吸收率大于80%,由于采用了對(duì)稱的結(jié)構(gòu)單元,該結(jié)構(gòu)具有寬入射角和偏振不敏感的特性。2019 年,Bagmanc 等[8]提出了一款超材料吸波體,其結(jié)構(gòu)由三層金屬層和四個(gè)集總電阻組成,金屬層由兩個(gè)介質(zhì)層隔開,集總電阻加載在頂部金屬層,在4～16 GHz 實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收效果。此外,通過(guò)加載有源器件,如晶體管、變?nèi)荻O管可調(diào)控諧振頻率從而擴(kuò)展帶寬[9-11]。然而,上述拓展帶寬方法存在一定的缺點(diǎn),如多層堆疊造成結(jié)構(gòu)單元厚度增大導(dǎo)致使用場(chǎng)景受限,加載集總電阻和有源器件導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、實(shí)物制備較為困難。電阻膜因其具有良好的電磁損耗特性,受到研究人員的青睞[12-13]。

本文以ITO 電阻膜和PET 為材料設(shè)計(jì)了一款具有透明特性的柔性寬帶超材料吸波體。該超材料在10～21.7 GHz 實(shí)現(xiàn)了寬帶微波吸收,吸收率高達(dá)90%以上,厚度突破了傳統(tǒng)λ/4 的限制,僅為0.066λ0。此外,所設(shè)計(jì)的超材料不僅具有寬頻吸波性能,而且極化不敏感,同時(shí)具有良好的角度穩(wěn)定性。最后,對(duì)所提出的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行加工和實(shí)測(cè),驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

1.1 超材料吸波體設(shè)計(jì)理論

如圖1 所示,電磁波與超材料的作用有反射、透射、吸收三種情況。R(ω)和T(ω)分別表示反射率和透射率,吸收率A(ω)的表達(dá)式為:

圖1 電磁波與超材料的相互作用Fig.1 Interaction of electromagnetic waves and metamaterials

式中:R(ω)=;S11和S21分別代表反射系數(shù)和透射系數(shù)。由于反射地板的存在,通常認(rèn)為透射率T(ω)=0,此時(shí)超材料的吸收率為:

要使超材料的吸收率A(ω)=1,則需要反射系數(shù)S11為零,反射系數(shù)S11可通過(guò)式(3)計(jì)算:

式中:Z0和Zin分別為自由空間阻抗和超材料表面的輸入阻抗,二者的表達(dá)式為:

式中:ε0為自由空間介電常數(shù);μ0為自由空間磁導(dǎo)率;εr為等效介電常數(shù);μr為等效磁導(dǎo)率。

由以上分析可得,在超材料實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了提高吸收率,應(yīng)調(diào)節(jié)超材料的輸入阻抗,使其接近自由空間波阻抗以達(dá)到阻抗匹配,減少入射電磁波的反射。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論設(shè)計(jì)的超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元如圖2所示,結(jié)構(gòu)單元由三層組成,依次為周期單元吸波層、介質(zhì)基板和反射地板。超材料的柔韌性通常由三層結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層來(lái)實(shí)現(xiàn),因此本文選用柔性材料PET(εPET=3.4,tanδ=0.06)作為介質(zhì)基板。吸波層和反射地板均為ITO 導(dǎo)電膜,厚度為0.175 mm。吸波層ITO 方阻Rt=,當(dāng)反射地板ITO 方阻Rg=5時(shí)具有良好導(dǎo)電性,幾乎可以實(shí)現(xiàn)全反射,阻止了電磁波的透射。通過(guò)調(diào)節(jié)吸波層結(jié)構(gòu)和介質(zhì)基板的相關(guān)參數(shù),使得超材料的輸入阻抗與自由空間阻抗相匹配,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收。最終優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)單元尺寸如表1 所示。

圖2 超材料吸波體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of metamaterial absorber

表1 結(jié)構(gòu)單元幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of structural unit

1.3 仿真分析

利用有限元仿真軟件CST 對(duì)所提出的超材料進(jìn)行建模和仿真。將模型放置在xoy平面內(nèi),電磁波沿z軸方向垂直入射,其中x和y邊界條件設(shè)置為unit cell以模擬無(wú)限平面空間,z方向設(shè)置為open (add space)。由圖3 可知,當(dāng)電磁波垂直入射時(shí),TE 和TM 極化方式下的反射系數(shù)S11是一致的。背部反射地板的存在阻止了電磁波的透射,可根據(jù)式(2)計(jì)算吸收率,超材料在10～21.7 GHz 頻率范圍內(nèi)吸收率達(dá)到90%以上,總帶寬為11.7 GHz,相對(duì)帶寬為73.8%,實(shí)現(xiàn)了寬頻微波吸收。

圖3 TE 和TM 極化下S11和吸收率Fig.3 S11and absorptivity under TE and TM polarization

電磁波垂直入射情況下,圖4 給出了極化角φ從0°變化到90°時(shí)超材料的吸波特性,其中φ為電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向分別與x軸和y軸的夾角。由圖可知極化角的變化并沒(méi)有對(duì)超材料的吸收特性產(chǎn)生影響,因此本文提出的超材料吸波體具有極化不敏感特性。

圖4 不同極化角下吸收率Fig.4 Absorptivity at different polarization angles

圖5 為電磁波以不同角度(0°～45°)斜入射時(shí)超材料吸收率隨頻率變化曲線。對(duì)于TE 極化模式(E方向不變,H方向改變),電場(chǎng)保持在x方向,而磁場(chǎng)和波矢量的方向改變一個(gè)角度θ,隨著入射角度的增大,諧振吸收點(diǎn)向高頻移動(dòng),表現(xiàn)出藍(lán)移特性,如圖5(a)所示。向高頻偏移的主要原因是隨著角度θ的逐漸增大,電磁波作用在超材料上的磁場(chǎng)分量減小,從而導(dǎo)致磁場(chǎng)分量激勵(lì)起的表面電流變小。對(duì)于TM 極化模式(H方向不變,E方向改變),磁場(chǎng)沿y軸是定向的,而電場(chǎng)和波矢量的方向以一定的角度θ變化,隨著入射角度的增大,諧振點(diǎn)依舊存在藍(lán)移特性,如圖5(b)所示。這是由于隨著角度θ的增大,電磁波作用在超材料的表面電場(chǎng)分量減小。由圖5 可知,TE 和TM 極化斜入射時(shí),即使當(dāng)入射角增大到45°,超材料依然具有較寬的工作波段和較高的吸收率,因此本文提出的超材料吸波體具有寬角度吸收特性。

圖5 不同入射角下超材料吸收特性Fig.5 Absorption property of metamaterial at different incident angles

2 吸波機(jī)理分析

2.1 等效參數(shù)

為了分析超材料寬帶吸收特性,利用散射參量反演法計(jì)算其等效阻抗Z(ω),由于結(jié)構(gòu)單元透射系數(shù)S21為零,Z(ω)表達(dá)式為[14]:

將前面仿真得出的S參數(shù)代入式(6)中得到Z(ω)的實(shí)部和虛部,如圖6(a)所示。由圖可知,在10～21.7 GHz 頻率范圍內(nèi),等效阻抗Z(ω)的實(shí)部接近1,虛部接近0,即在此頻段范圍內(nèi)超材料與自由空間實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。

此外,等效介電常數(shù)ε(ω)和等效磁導(dǎo)率μ(ω)也是描述超材料電磁性能的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),計(jì)算方法如式(7)和(8)所示[15-16]:

式中:d是介質(zhì)基板厚度;k0是自由空間的波數(shù)。

ε(ω)和μ(ω)計(jì)算結(jié)果分別如圖6(b)和(c)所示。由圖可得,在10～21.7 GHz 頻率范圍內(nèi),ε(ω)和μ(ω)的實(shí)部基本相等,根據(jù)式(4)和(5)可知,此時(shí)超材料與自由空間實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。ε(ω)和μ(ω)的虛部實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射電磁波的損耗,如果想要提高超材料的損耗,可以通過(guò)提高介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的虛部來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而并不是虛部越大越好,當(dāng)它們?cè)龃髸r(shí),雖然超材料增強(qiáng)了對(duì)電磁波的損耗能力,但同時(shí)也會(huì)引起輸入阻抗發(fā)生改變,導(dǎo)致反射系數(shù)S11增大。因此,在調(diào)整超材料結(jié)構(gòu)以及尺寸時(shí),應(yīng)當(dāng)從反射和損耗兩個(gè)維度來(lái)考量。

圖6 超材料等效參數(shù)Fig.6 Equivalent parameters of metamaterial

2.2 表面電流與電場(chǎng)

圖3 所示的吸收曲線在10～21.7 GHz 頻率范圍內(nèi)有兩個(gè)明顯的諧振點(diǎn),分別為13 GHz 和20.5 GHz。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)單元在諧振點(diǎn)13 GHz,20.5 GHz 處的表面電流和電場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)一步了解超材料的吸波機(jī)理[17]。圖7(a)、(b)分別表示13 GHz 處頂層和底層表面電流分布,圖7(d)、(e)分別表示20.5 GHz 處頂層和底層表面電流,箭頭的顏色、密集程度反映了電流的強(qiáng)弱。由圖可以看出,頂層和底層的表面電流方向相反,并形成電流回路,電流回路的磁偶極子產(chǎn)生磁諧振從而控制磁導(dǎo)率μ(ω)。圖7(c)、(f)分別表示13 GHz 和20.5 GHz 的電場(chǎng)分布,頂層電容間隙感應(yīng)出很強(qiáng)的電場(chǎng),從而產(chǎn)生電諧振可以有效控制介電常數(shù)ε(ω)。因此,可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁諧振實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,從而達(dá)到高吸收率的目的。

圖7 電流和電場(chǎng)分布Fig.7 Distribution of current and electric field

2.3 等效電路

本節(jié)從等效電路的角度對(duì)該超材料進(jìn)行分析,電磁波垂直入射時(shí),吸波層的方形和圓形諧振環(huán)等效為兩個(gè)RLC電路,如圖8 所示。其中Z0為自由空間波阻抗,Zh為介質(zhì)基板的等效阻抗,Cg為圓形諧振環(huán)開口部分的等效電容。根據(jù)等效電路理論每個(gè)諧振環(huán)的等效電感L計(jì)算如下[18]:

圖8 等效電路模型Fig.8 Equivalent circuit model

式中:l,a,w分別為超材料結(jié)構(gòu)單元的相關(guān)尺寸;f是頻率;λ是波長(zhǎng);θ是入射電磁波的角度,此時(shí)電磁波為垂直入射,入射角度為0°。

等效電容C計(jì)算方法如下:

式中:m表示不同結(jié)構(gòu)單元之間的距離。

式中:S為電阻膜截面的橫截面積;ε為介質(zhì)等效介電常數(shù);g為開口寬度;ld為諧振環(huán)長(zhǎng)度;ρ為電阻率。

計(jì)算提取超材料的參數(shù)值分別為:R1=200 Ω,L1=8 nH,C1=19 fF,R2=150 Ω,L2=14 nH,C2=25 fF,Cg=5 fF。利用ADS 對(duì)等效電路進(jìn)行分析,得到的反射系數(shù)S11如圖9 所示,由圖可知帶寬范圍和諧振頻率與CST 仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了所提等效電路模型的準(zhǔn)確性。

圖9 ADS 和CST 仿真對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of ADS and CST simulation

3 測(cè)試結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的柔性超材料吸波體的實(shí)際吸收性能,對(duì)超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際加工。介質(zhì)基板采用PET 材料,吸波層和反射層所用的電阻膜方阻分別為和5,介質(zhì)基板和電阻膜通過(guò)光學(xué)透明膠水粘貼在一起。周期單元通過(guò)高分辨率激光雕刻機(jī)(Han-YLP-F10)進(jìn)行刻蝕,最終制備的實(shí)物尺寸大小為190 mm×190 mm,如圖10(a)所示,由圖可知,該超材料具有良好的柔韌性和透明特性。

將實(shí)物放置在微波暗室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)試其吸波性能。測(cè)試方式采用自由空間法,實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent N5244A),兩個(gè)寬帶喇叭天線(1～18 GHz),一個(gè)用于信號(hào)的發(fā)射,另一個(gè)用于接收。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接兩個(gè)寬帶喇叭天線,模擬電磁波垂直入射超材料,如圖10(b)所示。因?yàn)槔忍炀€的限制,測(cè)試頻率上限到18 GHz,為了驗(yàn)證TE 和TM 極化方式下的吸收特性,分別將兩個(gè)喇叭天線均旋轉(zhuǎn)0°和90°。吸收率測(cè)試結(jié)果與CST 仿真結(jié)果如圖10(c)、(d)所示,在7～18 GHz 頻率范圍內(nèi),超材料吸收帶寬和仿真曲線基本一致。實(shí)測(cè)結(jié)果伴有一些毛刺,主要由兩個(gè)方面產(chǎn)生,一方面是加工精度不足,另一方面是收發(fā)天線之間存在一定的衍射。這兩個(gè)因素會(huì)影響實(shí)測(cè)的結(jié)果,使實(shí)測(cè)和仿真存在一定的誤差。

隨后,為了測(cè)試超材料在不同入射角(0°～45°)下的吸收特性,將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,實(shí)測(cè)結(jié)果如圖10(e)、(f)所示。隨著入射角度的增大,吸收帶寬有所減小,除了個(gè)別點(diǎn),吸收率均保持在80%以上,和仿真結(jié)果趨勢(shì)一致。

圖10 實(shí)物和測(cè)試結(jié)果Fig.10 Fabrication and test results

最后,將本文設(shè)計(jì)的超材料吸波體與現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的吸波體各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行比較,如表2 所示。由表可以看出本文設(shè)計(jì)的超材料吸波體具有較寬的工作頻帶,厚度超薄僅為0.066λ0,同時(shí)具有柔性和透明的特點(diǎn),與文獻(xiàn)報(bào)道的吸波體相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。

表2 超材料吸波體與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的對(duì)比Tab.2 Comparison of metamaterial absorber and existing structure

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新型超材料吸波體,通過(guò)表面電流和等效電路模型以解釋其吸波機(jī)理。研究結(jié)果表明,所提出的超材料吸波體具有以下特點(diǎn):(1)該結(jié)構(gòu)在10～21.7 GHz 頻率范圍內(nèi)吸收率大于90%,相對(duì)帶寬為73.8%,實(shí)現(xiàn)了寬帶微波吸收,且厚度僅為0.066λ0,同時(shí)具有柔性和透明的特點(diǎn);(2)由于周期單元為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu),該超材料具有極化不敏感和寬入射角吸收特性。最后,對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際加工測(cè)量,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。該超材料吸波體在電磁隱身、雷達(dá)吸波和電磁兼容等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。