多頻復合結(jié)構超材料吸波器的設計

通信作者： 高喜(1976-)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，研究方向為人工電磁材料及天線設計。E-mail:gao_xi76@163.com

引文格式： 韓栩，高喜.多頻復合結(jié)構超材料吸波器的設計[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(1):1-5.

韓栩，高喜

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林541004)

摘要：為了降低物體的雷達散射截面，實現(xiàn)對電磁波的吸收，利用超材料的電磁特性，設計了一款多頻復合結(jié)構超材料吸波器。通過改變超材料的等效介電常數(shù)和磁導率，在空氣中實現(xiàn)了吸波器與電磁波阻抗的匹配，并將電磁波束縛在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能。仿真結(jié)果表明，該吸波器在3.68、5.96、8.45 GHz頻點電磁波的吸收率分別為99.9%、97%、99.5%，對不同的電磁波極化方向呈現(xiàn)不敏感性，同時在電磁波寬角度入射時仍具有較高的吸收率，其厚度遠低于傳統(tǒng)的吸波材料。

關鍵詞：超材料吸波器；多頻；復合結(jié)構

收稿日期：2014-11-16

基金項目：國家自然科學基金(61461016)；廣西自然科學基金(2014GXNSFAA118366)；桂林電子科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃(GDYCSZ201408)

中圖分類號：TN929.5文獻標志碼： A

Design of a multi-band metamaterial absorber with composite structure

Han Xu， Gao Xi

(School of Information and Communication Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China)

Abstract：In order to reduce the radar cross section of the object and realize the absorption of electromagnetic waves， a multi-band composite structure metamaterial absorber is designed based on special electromagnetic properties of metamaterial. Effective permittivity and permeability are changed to achieve the impedance matching between absorber and electromagnetic waves in the air， meanwhile， the electromagnetic waves are bounded within the device and converted into thermal energy. The simulation results show that the absorption rates of the proposed absorber respectively are 99.9%， 97%， 99.5% at 3.68， 5.96， 8.45 GHz. The absorber is insensitive with different polarization directions of electromagnetic waves and the high absorption rate is achieved while the electromagnetic waves have a wide range incidence angle. The absorber is much thinner than the traditional absorbing material.

Key words： metamaterial absorber; multi-band; composite structure

超材料是一種具有獨特電磁特性的人工媒質(zhì)，主要包括光子晶體、左手材料、單負材料以及零折射材料等。1968年，Veselago提出了左手材料(介電常數(shù)和磁導率為負)[1]，電磁波與左手材料相互作用時，Snell定律、Doppler效應和Cherenkov輻射等物理規(guī)律都將發(fā)生逆轉(zhuǎn)?；讵毺氐碾姶盘匦?，研究人員對超材料開展了大量的工作，設計了許多基于超材料的功能器件，例如超級透鏡[2]、隱形斗篷[3]等。

2008年，Landy等提出了超材料吸波器[4]。傳統(tǒng)吸波材料采用高阻抗表面、手征媒質(zhì)外衣以及鐵氧體材料等，結(jié)構比較笨重，缺乏精確的調(diào)諧性能。采用超材料構建吸波器，能有效克服傳統(tǒng)吸波材料的缺點，且超材料吸波器具有體積小、質(zhì)量輕、可縮比等優(yōu)點。近幾年，超材料吸波器在微波頻段用于降低物體雷達散射截面，在太赫茲和光波頻段用于多譜成像系統(tǒng)的信息提取和安全檢測[5-10]。鑒于此，設計了一款復合結(jié)構的多頻超材料吸波器。

1多頻復合結(jié)構超材料吸波器的單元結(jié)構

多頻復合結(jié)構超材料吸波器由一個改進的方形諧振環(huán)和一個Jerusalum十字組成。超材料吸波器單元結(jié)構如圖1所示，它由3層結(jié)構組成：上層為復合結(jié)構的周期排列；中間層是介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02、厚度t=1mm的介質(zhì)板；底層為金屬地板。上層與底層金屬材料厚度為0.018mm、電導率為5.8×107S/m的銅。上層復合結(jié)構的單元尺寸：p=12 mm，L1=11 mm，L2=5 mm，L3=6.5 mm，L4=2.3 mm，L5=3.2 mm，W1=1.5 mm，W2=0.3 mm，W3=0.5 mm，W4=0.3 mm。

圖1　多頻復合結(jié)構超材料吸波器單元 Fig.1　The multi-band composite structure metamaterial absorber unit cell

采用CST Macriomave Studio 2011對多頻復合結(jié)構超材料吸波器的周期單元進行仿真，邊界條件設置為unit cell，端口設置為Floquet端口，使用頻域求解器求解，入射電磁波的電場E與y軸方向一致，磁場H與x軸方向一致。仿真得到該吸波器的電磁波吸收率如圖2所示，在工作頻點3.68、5.94、8.39 GHz對電磁波的吸收率分別為99.9%、97%、99.5%。吸波器的電磁波吸收率A(w)=1-R(w)-T(w)，R(w)=|S11|2，T(w)=|S21|2。其中：S11為吸波器的反射系數(shù)；S21為吸波器的透射系數(shù)。因為該吸波器底層為金屬地板，所以S21=0，A(w)=1-R(w)。

圖2　多頻復合結(jié)構超材料吸波器的電磁波吸收率 Fig.2　The electromagnetic waves absorption of the multi-band composite structure metamaterial absorber

結(jié)合圖2所示多頻復合結(jié)構超材料吸波器的電磁波吸收率，各種吸波器的比較如表1所示，其中λ為最低工作波長。從表1可看出，采用改進的方形諧振環(huán)和Jerusalum十字復合結(jié)構設計的超材料吸波器具有單元尺寸小，質(zhì)量輕的優(yōu)點。

表1　吸波器的比較

當電磁波入射到多頻復合結(jié)構超材料吸波器表面時，產(chǎn)生了不同的表面電流分布，從而出現(xiàn)了3個諧振頻點，分別為3.68、5.96、8.45 GHz。該吸波器在3個吸波頻點上層復合結(jié)構和金屬地板的電流分布如圖3所示，在3.68、8.45 GHz頻點，感應電流主要分布在方形諧振環(huán)的內(nèi)環(huán)和4個角的延伸枝節(jié)上，而在5.96 GHz頻點，感應電流分布在Jerusalum十字上。因此，改變方形諧振環(huán)的結(jié)構尺寸將影響第1個和第3個吸波頻點，改變Jerusalum十字結(jié)構尺寸將影響第2個吸波頻點，方便調(diào)節(jié)該吸波器的吸波頻率。

圖3　吸波器在3個吸波頻點上層復合結(jié)構和 金屬地板的電流分布 Fig.3　The surface current distribution on the upper composite structure and the metal ground plane at three absorbing frequencies

2吸波原理分析及工作特性

分析超材料吸波器有3種方法：1)使用等效介電常數(shù)和等效磁導率，當吸波器的阻抗與自由空間阻抗匹配和折射率的虛部趨于無窮大時，入射波的能量在吸波器內(nèi)部迅速消耗，從而實現(xiàn)電磁波吸波；2)利用傳輸線電路理論，根據(jù)上下層金屬板的感應電流構建LC諧振電路，利用介質(zhì)板的損耗分析吸波原理；3)采用干涉理論，通過對入射電磁波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的幅值和相位疊加分析吸波原理。

采用方法1)對吸波器的吸波原理進行分析。吸波器的吸收率為：

(1)

其中，t(w)和r(w)分別為材料對電磁波的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)。當T(w)=R(w)=0，即A(w)=1時，吸波效果最好。而傳輸系數(shù)t(w)由材料的復折射率和復阻抗決定，對于厚度為d的吸波材料，傳輸系數(shù)為[10]：

(2)

其中k=w/c，w為工作角頻率，c為真空中的光速。若吸波材料的阻抗與空氣中的電磁波阻抗匹配，則Z=1，反射系數(shù)為0，傳輸系數(shù)完全由折射率因子n確定：

(3)

將式(3)轉(zhuǎn)化為指數(shù)形式：

(4)

(5)

最終得到

(6)

根據(jù)以上公式可推導出多頻復合結(jié)構超材料吸波器工作頻點的相對阻抗和折射率，從而判斷是否符合吸波條件。該吸波器的相對阻抗和折射率如圖4所示。由圖4(a)可知，在3.68、5.96、8.45 GHz三個工作頻點，吸波器相對阻抗分別為1.07-j0.05、1.39+j0.22、1.13+j0.03，絕對值接近于1；而由圖4(b)可知，3個工作頻點折射率的虛部分別為25.94、16.17、11.37。因此，在工作頻點，該吸波器的阻抗與空氣中電磁波的阻抗有很好的匹配，而且有較高的折射率虛部，可使電磁波能量在吸波器內(nèi)快速衰減轉(zhuǎn)化為熱能。

當電磁波垂直入射時，該吸波器在吸波頻點具有良好的電磁波吸收率，但在實際應用中，入射電磁波并非具有單一的極化方向和垂直入射方向，要求設計的吸波器具有良好的極化不敏感和寬角度入射的工作特性。入射電磁波的極化方向代表入射電磁波的電場方向，極化角由電場E與x軸的夾角φ表示。不同極化方向的電磁波吸收率如圖5所示。當極化角呈15°間隔變化時，由于吸波器上層結(jié)構的對稱性，3個工作頻點的吸收率曲線相互重合，表現(xiàn)了良好的極化不敏感性。

圖4　吸波器的相對阻抗和折射率 Fig.4　The relative impedance and the refractive index of absorber

寬角度入射代表入射電磁波的入射角度，由入射波矢量k與z軸的夾角θ表示。當θ=60°時，不同模式下寬角度入射的電磁波吸收率如圖6所示。對于TE極化模式(E方向不變，H方向改變)，由圖6(a)可知，3個工作頻點的吸收率分別為86%、96.3%、88%，這是由于磁場方向的垂直分量增大，復合結(jié)構金屬層表面和金屬背板產(chǎn)生反向電流，破壞了電磁波入射時的匹配條件，降低了對電磁波的吸收率。對于TM極化模式(H方向不變，E方向改變)，由圖6(b)可知，3個工作頻點的吸收率分別為97%、91.2%、92.9%，因為電場方向的垂直分量增加，在介質(zhì)板中產(chǎn)生感應磁場，影響了復合結(jié)構金屬層表面與金屬地板表面的感應電流耦合產(chǎn)生的感應磁場，從而影響了吸收效率。在電磁波寬角度入射時，吸波器仍有較高的吸收率，同時隨著入射角度的增大，電磁波斜射時在吸波器上產(chǎn)生高次模，導致在10GHz頻點出現(xiàn)了一個新的吸收波峰[12]。

圖5　不同極化方向的電磁波吸收率 Fig.5　The electromagnetic waves absorption with the different polarization directions

圖6　不同模式下寬角度入射的電磁波吸收率 Fig.6　The electromagnetic waves absorption with broad incident angle in the different models

3結(jié)束語

基于超材料的電磁特性，設計了一種方形諧振環(huán)和Jerusalum十字相結(jié)合的復合結(jié)構超材料吸波器，該吸波器不僅有良好的極化不敏感特性，而且在寬角度入射下對電磁波仍有較高的吸收率。該吸波器單元周期小、厚度薄，在微波頻段實現(xiàn)3個吸波頻點，可降低物體的雷達散射截面。雖然該吸波器工作于微波頻段，但通過縮比原理，可用于太赫茲頻段和光波頻段，在多譜成像系統(tǒng)的信息提取和安全檢測方面更具優(yōu)勢。

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編輯：曹壽平