程用志 錢瑩潔 李志仁 本間晴貴FATHNAN Ashif Am inu lloh 若土弘樹

①(武漢科技大學信息科學與工程學院 武漢 430081)

②(名古屋工業(yè)大學工程系 名古屋 466-8555)

③(湖北隆中實驗室 襄陽 441000)

1 引言

最近十幾年發(fā)展起來的引人注目的超材料(Meta-Material,MM)和超表面(MetaSurface,MS)能夠突破傳統(tǒng)材料的限制[1–5]，實現(xiàn)超常的功能。MM的電磁響應會隨著其亞波長幾何形狀的調(diào)整而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生各種電磁特性[3,4]。MS是MM的準2維平面形式，具有超薄的厚度，低剖面以及易于制備加工等優(yōu)點[5]。由于MS具有可設計性并且能夠用于制備各種新奇的電磁波調(diào)制器件[6–11]，例如，濾波器、波前調(diào)制器、極化轉(zhuǎn)換器以及吸波器等。在這些器件中，電磁波超表面吸收器(M etaSu r face Absorber,M SA)研究尤其引入注目，它能夠被廣泛地用于電磁能量捕獲、電磁隱身、傳感以及電磁屏蔽等領域[6,7]。MSA單元結(jié)構(gòu)模型一般由導電圖案(銅或鋁膜)、介質(zhì)層(電或磁介質(zhì)基片)和金屬底板構(gòu)成3層或多層結(jié)構(gòu)，呈周期性排列。通過單元結(jié)構(gòu)的合理設計能夠?qū)崿F(xiàn)單頻、雙頻、多頻以及寬頻強吸收[10–13]。然而，當前設計的絕大多數(shù)MSA對常規(guī)的電磁輻射具有良好的吸波性能，但仍然無法將可能會損害通信電子和電氣系統(tǒng)的高功率信號和通信需要的小信號區(qū)分開來。

為了解決這個問題，文獻[14,15]提出了一種可以自動調(diào)節(jié)高功率微波保護超寬帶能量選擇表面(Energy Selective Surface,ESS)，它可以自動屏蔽高功率微波。文獻[16]基于雙共振概念，提出了ESS在相同的頻率下分別激發(fā)帶通和帶阻諧振。文獻[17,18]提出了一種在自由空間波下的可自動調(diào)節(jié)的非線性MSA。它的輸入阻抗對入射電磁波強度的依賴性很強。當入射波功率變得更強時，MSA和自由空間之間的阻抗匹配會越好，因此允許它們優(yōu)先進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部并消散掉。以往的功率選擇性MSA可以減輕電磁干擾，但不適用于無線通信信號的頻譜與其他信號的頻譜重疊的情況。文獻[19–21]提出了一種基于非線性電路MS，它能將入射的在相同頻率下的短脈沖波和連續(xù)波區(qū)分開來，并能夠進行選擇性吸收高功率短脈沖波能量，同時還允許小信號傳播，這有利于電子設備不再受到強電磁脈沖噪聲的干擾，進行有效的保護。即使在相同頻率下也可以根據(jù)波形或脈沖寬度區(qū)分不同的表面波。不久后又通過微波實驗進一步驗證了該MS能區(qū)分自由空間中連續(xù)波和脈沖波[20]。然而，這些研究中，都僅僅是使用了正入射的表面波或自由空間波進行評估[21]，沒有考慮斜入射以及MS結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同波形吸收性能的影響。

為此，本文提出一種新型的基于二極管與電容電阻并聯(lián)的非線性電路MSA。二極管對輸入信號進行整流，整流后的信號由其他電路元件的時間常數(shù)τ=R×C控制。當增加功率時，MSA對短脈沖波的吸收率先增大接近1再減小，但連續(xù)波的吸收率被極大地抑制。闡明了不同角度對脈沖波吸收率的影響。當改變MSA單元尺寸參數(shù)時，例如導電金屬環(huán)間隙、線寬以及介質(zhì)板厚度，設計的MSA不僅對短脈沖波的吸收率會發(fā)生變化，也會使工作頻率呈線性改變。它證實了設計的MSA對入射的波形具有很好的選擇吸收特性，在相同頻率下優(yōu)先通過或拒絕不同類型的信號，例如短脈沖或連續(xù)波。

2 MSA設計與分析

本文設計的MSA周期性陣列結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其基本結(jié)構(gòu)單元由金屬方環(huán)形諧振器、中間介質(zhì)層和底部金屬接地板3層結(jié)構(gòu)組合而成，如圖1(b)。頂層金屬方環(huán)形諧振器間隙中加載非線性電路。中間層是材料為Rogers RO4350的介質(zhì)基板，厚度ts,相對介電常數(shù)為3.66，磁導率為1。底部是電接地層，金屬底板的存在使得其透射率趨向于0。如圖1(a)所示，本文主要考慮兩種波形，分別為連續(xù)波(Continuous W ave,CW)和短脈沖波(Pulse W ave,PW)。

圖1 非線性電路MSA示意圖以及簡化的LC電路圖

圖1(b)插圖給出了設計的MSA單元結(jié)構(gòu)縫隙中集成的二極管并聯(lián)電容電阻的非線性電路。設計的MSA結(jié)構(gòu)在一定頻率和功率的電磁波照射下，首先會在良導體的金屬方環(huán)形諧振器表面產(chǎn)生感應電流，誘導形成的感應電荷對兩個環(huán)形縫隙電容進行充電。聚集到方形環(huán)諧振器縫隙的電磁能量通過集成4個二極管與并聯(lián)的電阻電容非線性電路，最終耗散掉。這就意味著電荷被誘導到導電貼片上，盡管這些電荷有頻率分量f，在間隙中產(chǎn)生強電場。在2個方形環(huán)縫隙內(nèi)部，橋接的二極管(Broadcom,HSMS-286x系列)將輸入信號的頻率轉(zhuǎn)換為一組無限的頻率分量，但大多數(shù)能量是在零頻率分量[19]。此處用的4個二極管起到二極管橋的作用，提供全波整流，這會加快將入射電磁波轉(zhuǎn)換成靜電場，使零頻率的轉(zhuǎn)換進一步增強。在每個二極管橋中，將1個電阻與1個電容并聯(lián)，這里為了避免二極管直接耗散電磁能量，電阻值必須設置得足夠大，這樣才能避免對連續(xù)波的強吸收[20]。設計的MSA在入射脈沖波的照射下并聯(lián)電容和電阻中產(chǎn)生的感應電壓和電流與響應時間的關系如圖2所示，當短脈沖波在t1=50 ns時刻進入設計的MSA電路結(jié)構(gòu)時，感應電荷首先儲存在非線性電路電容器中形成非常強的感應電壓，電壓隨著時間逐漸增大，而對應的電流逐漸減??；在電路中誘導形成的電磁能量在下一個脈沖t2=100 ns時刻進入之前在電阻中耗散，產(chǎn)生強吸收。但是，當輸入波形變成長脈沖或者連續(xù)波時，由于使用的電容器已經(jīng)充滿電，使整個MSA結(jié)構(gòu)處于短路狀態(tài)，從而使其對脈沖波的吸收顯著降低。這種基于電容器的波形選擇性MSA即使是在相同的頻率下也會降低其吸收性能。連續(xù)波和脈沖波吸收率都可由式(1)—式(3)計算獲得

圖2 設計的MSA中產(chǎn)生的感應電壓和電流隨響應時間的變化

其中，Pi是指入射波功率，它等于入射電壓和入射電流的乘積，同樣Pr是反射波功率，等于反射電壓和反射電流相乘。

為了研究設計的非線性電路M SA頻率響應特性，其單元結(jié)構(gòu)可等效為一個簡化的LC并聯(lián)諧振電路。如圖1(d)所示，其中L0是方環(huán)形金屬貼片的等效電感，C0為貼片單元之間的耦合電容，對應的諧振頻率為f0，因此可得到式(4)—式(6)

其中，ε0是介電常數(shù)，μ0是磁導率。由此可知，f0與g,w成正比，與ts成反比，即。由式(6)可以看出：通過改變單元結(jié)構(gòu)的等效電感或等效電容，且變化足夠大時，可以有效調(diào)節(jié)MSA的工作頻率。

為了驗證設計的MSA波形選擇吸收性能，本文采用商業(yè)仿真軟件(ANSYS Electronics Desktop 2020 R2)將其單元結(jié)構(gòu)進行電磁和電路協(xié)同數(shù)值模擬仿真。如圖1(a)所示，電磁仿真模塊中入射電磁波電場E沿著+x方向，磁場H沿著+y方向，波矢k沿著+z方向，采用主從邊界條件，再在金屬方環(huán)形諧振器縫隙從左至右設置1個替代所有電路元件的集總端口作為激勵，該端口連接到電路仿真模塊的實際電路中。同時還在單元結(jié)構(gòu)頂部設置1個Floquet端口以生成入射波。用于電路仿真的整個電路配置如圖1(c)所示，2個端口分別在電磁模塊兩側(cè)(電磁仿真模塊設置的集總端口和Floquet端口)。集總端口用來連接所有電路元件，F(xiàn)loquet端口連接入射和反射端口用來產(chǎn)生連續(xù)波和短脈沖波。電路仿真在時域下進行，在1～5 GHz頻率范圍內(nèi)每隔0.1 GHz步長進行掃描，采用脈沖寬度50 ns的短脈沖作為脈沖電磁波，連續(xù)波波源采用正弦電磁波。整流二極管在實際電路模擬仿真時采用集成電路仿真程序(Simulation Program w ith Integrated Circuit Em phasis,SPICE)模型，具體參數(shù)參考文獻[20]。數(shù)值仿真優(yōu)化后得到的MSA單元結(jié)構(gòu)和集總參數(shù)為：p=18 mm,l=17 mm,g=1 mm,ts=1.5 mm,w=5 mm,tm=0.017 mm；并聯(lián)的電阻電容值分別為12.5 kΩ和0.8 nF，金屬微結(jié)構(gòu)單元銅膜的電導率為5.8×107S/m。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同功率和波形對MSA吸收率的影響

本文首先考慮設計的MSA對入射不同功率的連續(xù)波和脈沖波吸收特性的影響，如圖3所示。由圖3(a)可知，當50 ns短脈沖波入射到設計的MSA時，吸收率隨著入射功率的增大先增大然后逐漸減小。由圖3(b)可知，當脈沖波功率為–10 dBm時，吸收率為62%。這是由于此時入射短脈沖波功率比較低，很難在MSA激發(fā)起強的表面電流，誘導形成的感應電壓小于二極管的門檻電壓，使其失去整流作用，從而使其吸收性能減弱。當功率增加到–4 dBm，設計的MSA吸收率在3.2 GHz達到最大值97%。此時在MSA中誘導形成的感應電壓達到二極管的門檻電壓，使其起到很好的整流作用，從而使其吸收性能得到顯著的增強。當功率進一步增加到10 dBm，吸收率下降到55%左右。此時在MSA中誘導形成的感應電壓遠遠超過二極管的門檻電壓，使其失去整流作用，從而使其非線性電路產(chǎn)生短路，最終導致吸收性能減弱。值得注意的是，入射短脈沖波功率在本文感興趣的–10～+10 dBm范圍內(nèi)變化時，設計的MSA吸收率總是大于55%。由圖3(c)和圖3(d)可知，當連續(xù)波入射到設計的M SA時，吸收率隨著入射功率的變化并不明顯，基本維持在一個較低的吸收率水平，只存在21%左右的低吸收率?？梢钥闯觯O計的MSA有效地減少了短脈沖的反射并在3.2 GHz附近表現(xiàn)出強烈的吸收，但是在相同的頻率下連續(xù)波的吸收性能受到極大的限制。這是因為二極管橋內(nèi)并聯(lián)的電容器存儲了短脈沖的傳入能量，并且在下一個脈沖進入之前在并聯(lián)的電阻器中耗散。然而連續(xù)波已經(jīng)對電容器充滿電，阻止了這種吸收機制[20]。由此也進一步說明本文設計的MSA具有良好的短脈沖波吸收性能，并能顯著區(qū)分相同頻率下的脈沖波和連續(xù)波。

圖3 設計的MSA在不同功率脈沖波(PW)和連續(xù)波(CW)波形入射時的吸收率曲線

3.2 不同脈沖寬度的脈沖波對MSA吸收率的影響

首先考慮不同脈沖寬度的脈沖波形對設計的非線性電路MSA吸收特性的影響。固定入射脈沖波的功率為0 dBm，如圖4(a)所示，設計的MSA對入射脈沖波的吸收率顯著依賴于脈沖寬度，當逐漸增加脈沖寬度時，吸收率先增大，后減小。如圖4(b)所示，當入射波脈沖寬度為1 ns時，其吸收率超過85%。當增大入射波脈沖寬度為500 ns時，其吸收率達到最大值98.5%，當脈沖寬度進一步增大到10μs時，其吸收率逐漸降低，在3.2 GHz只有40%左右。由于MSA電阻電容并聯(lián)的非線性電路的弛豫時間為τ=R×C=10μs。當入射波脈沖寬度增大到一定數(shù)值(10μs)時，非線性電路中并聯(lián)的電容器處于過飽和狀態(tài)，此時的感應電壓達到最大從而導致吸波性能的減弱。由此進一步說明本文設計的非線性電路MSA只對入射的短脈沖波具有良好的吸波性能。

圖4 設計的MSA在0 dBm功率下對不同脈沖寬度的脈沖波吸收率

3.3 不同極化模式斜入射脈沖波對M SA吸收率的影響

為了進一步研究設計的MSA對脈沖波的吸收特性，有必要考慮入射的短脈沖波在不同的極化模式斜入射的吸收性能。一般情況下，對斜入射的電磁波考慮TE和TM兩種模式。

圖5(a)—圖5(d)分別給出了兩個不同功率水平下TE模極化波 和TM模極化波不同斜入射角的吸收率。圖5(a)和圖5(c)是功率為0 dBm和–4 dBm脈沖寬度為50 ns的TE模極化短脈沖波不同斜入射角度時吸收率曲線。當斜入射角度θ＜60°，M SA的吸收率基本保持不變。當入射角度增大到θ=75°時，吸收率幅值有微弱的降低，并且工作頻率出現(xiàn)了微小的藍移現(xiàn)象，即吸收峰位置向高頻方向發(fā)生微小的偏移。當入射角很大時(θ=75°)出現(xiàn)微小藍移現(xiàn)象，這是由于TE模極化波的行為類似于TE表面波。這說明不同于傳統(tǒng)的線性電路MSAs[10–14]，設計的MSA吸波性能對TE模極化波斜入射角度的依賴性較小。而TM模極化波斜入射情況下，如圖5(b)和圖5(d)，設計的MSA對不同角度斜入射的脈沖波的吸收率的變化規(guī)律比較明顯。當增大TM模極化波入射角度時，工作頻點基本保持不變，吸收率逐漸降低。吸收率在TM模式大入射角度時下降較快，是因為TM模極化波沒有強的切向電場分量，使設計的M SA方環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的感應電壓比較小，從而削弱二極管的整流過程，導致該MSA對短脈沖波的吸收性能減弱。當功率為0 dBm時，TE極化模式下大入射角度對短脈沖波吸收率也有所下降。但功率降低至–4 dBm時，由于大入射角度下，TE模極化波的行為類似于TE表面波，此時的吸收率不大幅度下降是介質(zhì)和二極管中的損耗造成的，并非是二極管整流作用下產(chǎn)生的對短脈沖波的強烈吸收。無論在哪個功率水平下，隨著入射角增大，TM模極化短脈沖波的峰值吸收水平在一定程度上被抑制，這種情況也接近于TM表面波。但值得注意的是在一定的寬入射角度(θ ＜75°)范圍內(nèi)，設計的MSA吸收率總是保持在60%以上。進一步說明了本文設計的M SA對寬角度(θ ＜75°)入射的TE和TM模極化短脈沖波都具有良好的吸收特性。

圖5 設計的MSA單元在TE和TM模極化斜入射輸入功率為0 dBm和–4 dBm脈沖波的吸收率

3.4 M SA非線性電路并聯(lián)電容和單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對短脈沖波吸收特性的影響

接下來，本文將重點考慮設計的MSA結(jié)構(gòu)單元參數(shù)對短脈沖波吸收特性的影響。時間常數(shù)τ=R×C也稱為非線性電路的弛豫時間對于確定依賴于波形的MSA如何響應入射波的脈沖寬度也很重要。

圖6(a)和圖6(b)給出了改變MSA結(jié)構(gòu)單元中并聯(lián)的電容值時其對功率為0 dBm脈沖寬度為50 ns的短脈沖波的吸收率曲線。當增大MSA中并聯(lián)電容值時，其短脈沖波吸收率先顯著增大，然后適當減小并維持在一個較高的吸收率水平。由圖6(b)所示，當MSA中并聯(lián)的電容值為1 pF時，其吸收率只有30%左右。這是由于此時MSA中非線性電路的弛豫時間τ=12.5 ns小于入射波脈沖寬度50 ns，只能吸收一小部分的脈沖波。當電容值為100 pF時，弛豫時間τ=1.25μs遠大于入射短脈沖寬度50 ns,MSA吸收率達到最大值97.5%。進一步增大電容值，MSA的吸收率有所下降，當電容值為0.1 nF，其吸收率基本穩(wěn)定在90%左右保持不變。值得注意的是，改變MSA非線性電路中電阻值時對短脈沖波吸收率結(jié)果基本沒什么影響，但會影響連續(xù)波的吸收[20]。

圖6 非線性電路MSA對不同電容值情況下的脈沖波吸收率

傳統(tǒng)的線性電路MSA的吸收率嚴重依賴于其單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)[10–13]，通過改變結(jié)構(gòu)尺寸可以顯著改變其頻率響應特性和吸波性能。因此，有必要研究設計的非線性電路MSA中單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對脈沖波吸收性能的影響。如圖1(b)所示，對于固定設計周期的MSA單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)只包含3個重要變量，分別為方形環(huán)諧振器的寬度w，兩個環(huán)之間的縫隙g以及中間介質(zhì)層的厚度ts。研究發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化都會影響吸收率的大小。設計的MSA在不同的幾何參數(shù)情況下對入射短脈沖波(50 ns脈寬和0 dBm功率)吸收率曲線如圖7所示。本文根據(jù)數(shù)值仿真得到的吸收率峰值頻率隨MSA單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化關系曲線利用式(4)—式(6)中等效的電感和電容隨MSA單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化進行線性擬合。從圖7(b)、圖7(d)和圖7(f)可以看到數(shù)值仿真曲線與等效電路擬合曲線吻合得比較好。

如圖7(a)所示，當方環(huán)形諧振器縫隙寬度g在0.5～2.5 mm范圍內(nèi)變化時，MSA吸收率峰值隨著g的增加緩慢的提高，但是工作頻率從2.95 GHz逐步平移到3.8 GHz。值得注意的是，當g在一定范圍(0.5～2.5 mm)內(nèi)變化時，MSA脈沖波吸收率始終保持在95%以上。由圖7(b)所示，縫隙寬度g與吸收率峰值頻率f0呈線性關系且成正比，即f0∝g，這跟之前分析的簡化LC理論模型完全一致。如圖7(c)所示，在一定范圍內(nèi)(2～6 mm)改變w大小時，設計的M SA對脈沖波的吸收率差別比較明顯。當w=2 mm時，脈沖波吸收率只有65%，而設計的非線性電路MSA中單元結(jié)構(gòu)所用到的w=5 mm時，吸收率增加到90%以上。繼續(xù)增加線寬到w=6 mm,MSA脈沖波吸收率達到98.9%。同樣，圖7(d)可以看到，MSA吸收峰值頻率f0隨著線寬增加而往高頻移動，且與w呈線性關系，即f0∝w。圖7(e)顯示的是ts對MSA脈沖波吸收率的影響，結(jié)果與前兩個參數(shù)類似，即短脈沖吸收率隨著ts增大而逐漸增大，但吸收峰值頻率的變化與之相反。由圖7(f)所示，MSA中ts與吸收率峰值頻率f0呈線性關系且成反比，即f0∝1/ts。同樣值得注意的是，當ts在一定范圍(0.5～2.5 mm)內(nèi)變化時，MSA吸收率始終保持在85%以上。從以上的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸波性能隨g變化較為穩(wěn)定，但方環(huán)形結(jié)構(gòu)w和ts的變化對脈沖波吸收性能影響較大。如圖7(c)所示，當方環(huán)形諧振器w減小時，脈沖波吸收率逐漸下降，這是由于此時所能累積的電荷較小，在其表面形成的電壓減小，從而使二極管整流作用減弱，最終導致脈沖波吸收性能的減弱。由圖7(e)所示，MSA吸收率隨著ts減小而緩慢地減小。這是因為當電磁波垂直入射到設計的M SA結(jié)構(gòu)單元中，由于被底部金屬接地板反射，在介質(zhì)基板內(nèi)部會產(chǎn)生相位延遲，ts的大小會影響反射脈沖波的相位延遲效應，從而影響脈沖波的吸收性能。當介質(zhì)基板ts較小時，其相位延遲降低，從而使設計的MSA對脈沖波的吸收性能較小。由此表明，本文設計的MSA對短脈沖電磁波的吸收特性同樣顯著依賴于單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。

4 結(jié)論

本文設計了一種結(jié)構(gòu)簡單的非線性電路MSA，對入射的一定功率范圍內(nèi)的短脈沖波具有良好的波形選擇性寬角度吸收性能。當功率增加時，設計的MSA對短脈沖波的吸收率先逐漸增大接近1，隨后再下降。而在相同頻率下，連續(xù)波的吸收性能受到顯著的抑制，吸收率只有20%左右。當入射波的脈沖寬度增加時，MSA吸收性能降低。設計的MSA一定的角度范圍內(nèi)對TE和TM模極化短脈沖波有很好的吸收。增加M SA中并聯(lián)的電容大小會提升其對短脈沖波的吸收性能，但是改變并聯(lián)電阻值對脈沖波的吸收率無影響。結(jié)果顯示，MSA工作頻率會隨著間隙、線寬的增加而產(chǎn)生顯著的藍移，會隨介質(zhì)厚度的增加產(chǎn)生顯著的紅移，并且與等效LC諧振電路擬合的結(jié)果完全一致。另外，諧振吸收率幅值也會隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而產(chǎn)生顯著的變化。本文設計的MSA具有良好波形選擇吸收特性，能夠很好地區(qū)分相同頻率下的不同波形，這些波形選擇性使本文能夠根據(jù)脈沖寬度在相同頻率下控制電磁特性。本文的研究將在雷達罩、天線以及無線通信等方面具有廣泛的應用前景。