時家闊 潘燦 李靜嫻 寧仁霞 焦錚

【摘 要】本文設(shè)計了一個基于超材料的多頻帶吸波復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由帶有空氣槽的金、FR-4以及金的基板構(gòu)成。利用仿真軟件CST研究了該結(jié)構(gòu)的電磁特性。從結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁場分布等對電磁吸波機理進行研究并且對其結(jié)構(gòu)進行詳細分析。發(fā)現(xiàn)通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)使該結(jié)構(gòu)改變，能使得吸波器對于不同頻率點進行吸收。電磁超材料在電磁隱身技術(shù)，航空技術(shù)以及電磁污染的治理等領(lǐng)域都有著非常重要的作用。

【關(guān)鍵詞】超材料；吸波器；CST；時域有限差分；多頻

中圖分類號： TN213 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.024

【Abstract】In this paper，a multi-band absorbing composite structure based on metamaterials is designed.The structure is composed of gold，F(xiàn)R-4 and gold substrates with air grooves.The electromagnetic characteristics of the structure are studied by simulation software CST.The electromagnetic absorbing mechanism is studied from the structure parameters and electromagnetic field distribution，and its structure is analyzed in detail.It is found that the absorber can absorb different frequencies by changing the structure parameters.Electromagnetic metamaterials play an important role in electromagnetic stealth technology，aviation technology and electromagnetic pollution control.

【Key words】Metamaterials；Absorber；CST；FDTD；Multi-band

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超材料已經(jīng)被越來越多的學(xué)者納入研究。2008年，Landy在基于超材料的概念上[1]，就提出了通過人工設(shè)計超材料的形狀和尺寸從而能夠?qū)﹄姶挪ㄟ_到“完美吸收器”的概念。所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠與入射的電磁波發(fā)生耦合現(xiàn)象[2]，從而對特定頻率的電磁波能夠達到100%的吸收率。他們的團隊在此方向取得了很多突破性的進展[3]。隨著對超材料的不斷深入研究，關(guān)于吸波的頻率從最初的微波波段不斷的升高，目前已經(jīng)達到了到THz及其以上的波段。但是，他們研究的大多數(shù)超材料吸波器的結(jié)構(gòu)都需要最底層為金屬材質(zhì)[4]，因此在吸收頻率以外的頻段的電磁波會被直接反射出來，這就使得他們所提出的這類吸波器的適用范圍變小了。于是在2011年，Smith人就提出了一種具有低反射特性的超材料吸波器，就有效的突破了這個問題。而Smith所提出的觀點，對于解決電磁污染問題是具有一定的指導(dǎo)意義的。

電磁波能夠攜帶能量傳播，而吸波材料就能將電磁波能量以熱能和其他形式的能量釋放出去，從而達到吸波的效果[5]，這就有效減少甚至消除電磁輻射帶來的污染，從而提出一種能夠吸收多個電磁波頻率的多頻吸收器[6]。如今，隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)吸波材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。吸波材料的應(yīng)用非常廣泛，可作為現(xiàn)代隱形航空飛行器，先進武器設(shè)備的構(gòu)建材料，是發(fā)展現(xiàn)代隱身科技的重要基礎(chǔ)[7]。超材料如今已近進入到人類科技的各個領(lǐng)域，比如：軍用戰(zhàn)機表面隱身技術(shù)，雷達等隱身技術(shù)，隔熱保溫和生物醫(yī)學(xué)等前沿方面都有著普遍的應(yīng)用，說明吸波材料有著無法被取代的重要性[8]。21世紀(jì)是信息化的時代，隨著電子設(shè)備的增多，有限的空間內(nèi)充斥著越來越多的電磁波，電磁環(huán)境正在不斷惡化，因此，電磁污染已經(jīng)逐漸成為21世紀(jì)生態(tài)環(huán)境最為主要的物理污染物之一。目前，治理電磁污染已經(jīng)成為世界各國所要面臨的問題了。要想治理電磁污染，關(guān)鍵是要尋找到一種能夠非常有效吸收電磁波的材料，而吸波超材料是必不可少的選擇[9]。所以本文主要論述了吸波材料的吸波機理以及對超材料吸波器吸波特性的研究。

2 超材料吸波器的設(shè)計與仿真

運用CST軟件來設(shè)計添加材料然后進行仿真，由于本結(jié)構(gòu)基板為金，所以透射率為0，本結(jié)構(gòu)的吸收率A=1-R2，得到電磁諧振超材料吸波器的吸波特性。

2.1 四波段吸波器設(shè)計

圖1是本文設(shè)計的多頻吸收器的結(jié)構(gòu)單元，該吸波器的結(jié)構(gòu)有三層材料成。具體參數(shù)如圖3-1所示。第一層是邊長為15um正方形底基，材料為金屬金，電導(dǎo)率■，厚度為1.8um；中間的介質(zhì)層為RF-4（loss free）有損材料，長寬和厚度與基底完全相同。第三層一個帶有空氣槽的金屬層，這一層是設(shè)計吸波器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其材料也是金屬金，電導(dǎo)率與底基完全相同，厚度為2um。其中L1=30um、L=27um、W1=30um、W=27um、L2=9um、W2=17um、W3=1um、a=1um、b=0.6um、Z1=2um、Z2=1.8um、Z3=1.8um。

采用仿真軟件CST（微波工作室）對該吸波器進行仿真。設(shè)定磁場方向為X正，電場方向為Y正，橫電磁波沿著Z軸方向垂直方向射入到吸波器上。使用CST進行仿真時，設(shè)定頻率為1THz到10THz。設(shè)置X和Y方向上的邊界條件為unit cell，Z方向上的邊界條件設(shè)置為open（add space）。

經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)有四個吸收頻點，其中主要吸收頻點三個。如圖2所示該超材料吸波器TE模式的透射曲線，在頻率約為1.504THz、4.38THz、6.41THz以及8.20THz這三個頻率點具有明顯的吸收分別為-11dB、-28.256dB、-19.216dB以及-26.851dB，在其他的頻率范圍基本上沒有吸收。而且可以根據(jù)調(diào)整結(jié)構(gòu)的尺寸從而達到對于不同的頻率點進行吸收，這可使吸波器的適用范圍擴大。

2.2 基于中腔寬度對吸波器吸收的影響分析

經(jīng)過電場分析可以看出不同的吸收頻點電場分布是不同的，改變電場分布集中的位置是否就能夠影響吸收的強度呢？于是通過大量仿真實驗提取了效果較好的幾組。首先，改變第三層空氣槽的形狀，保持其他形狀不變，改變W2的大小分別為16.4um、16.4um、17.2um，然后觀察吸波器對于不同頻率點的吸收情況。結(jié)果如圖4所示：

經(jīng)過仿真得出結(jié)果，低頻段的吸波點以及吸波強度基本不隨第三層結(jié)構(gòu)的變化而變化。相對較高的頻段，會隨著第三層空氣槽的改變，無論是吸收強度還是吸收頻率點都會改變；改變中腔的參數(shù)，吸收頻率點并不是一味的左右移動，吸收強度也不是一味的增強或減弱，而是吸收強度在W2為16.6um附近達到一個峰值。隨后改變尺寸吸收頻率點會在4.3THz、6.4THz、8.2THz附近略微波動。也就是說單方面的改變某一個參數(shù)，可以在一定程度上改變吸收頻點，但是改變是有限的，只是在一定范圍內(nèi)適用。

2.3 基于中間狹縫寬度對于吸波器的影響

經(jīng)過改變空氣槽的寬度W2的寬度后發(fā)現(xiàn)，能改影響吸波器對于吸收頻點和強度的影響非常有限。于是通過觀察仿真的電磁場的分布圖，不難看出，在第三層狹縫處有比較明顯的電場與磁場的變化，所以從狹縫的寬度入手，改變狹縫W3的寬度，來觀察此參數(shù)對吸波器的影響。如圖3-2（a）所示。為了保證變量一致，依然保持其他變量不變，只改變狹縫寬度W3。分別改變W3的大小為0.6um、0.8um、1.2um，然后繼續(xù)觀察吸波器對于不同頻率點的吸收情況，結(jié)果如圖5所示。

對比圖5三種參數(shù)，吸波器的吸收情況變化情況：在一定范圍內(nèi)改變狹縫W3的大小對于吸波器的影響很小，除了吸收強度會略有改變，吸收頻點變化極小。

2.4 基于中間介質(zhì)的厚度對吸波器的影響

經(jīng)過前兩節(jié)改變空氣槽的寬度W2以及中間狹縫的寬度W3，可以看出，能影響吸波器對于吸收頻點和強度的影響非常有限，而且有的參數(shù)改變甚至基本上不會影響吸波器的吸收性能。因為仿真的頻率是THz波段，關(guān)于THz波段的吸波器。為了提高吸波器的吸波能力，人們通常會適當(dāng)增加某一材料的厚度來增大對太赫茲波的吸收效果，這層介質(zhì)在太赫茲波段的響應(yīng)特性，吸收效率將直接影響這類吸波器的吸波效果。于是嘗試改變中間層FR-4（loss free）的厚度Z2。通過大量仿真取一組比較理想的數(shù)據(jù)的如圖6所示。

結(jié)果顯示當(dāng)Z2從1.6um變化到2.2um時，即當(dāng)中間介質(zhì)變薄時候吸波器的吸波能力明顯降低，但是在低頻段吸波器的表顯卻截然相反。當(dāng)中間介質(zhì)變薄時，吸波器的吸波能力卻增強了。當(dāng)介質(zhì)厚度變大時，吸波器的吸收頻點不斷緩慢左移。高頻段吸波能力也不斷改變，但是吸波的能力與介質(zhì)的厚度卻不是呈近似正比的關(guān)系，因為仿真顯示隨著介質(zhì)厚度的增加，吸波器的吸收能力是呈先增加后減小的趨勢，并且在厚度為2um附近達到一個最佳效果。這對于設(shè)計完美的吸波器具有指導(dǎo)意義。

3 總結(jié)

本文通過設(shè)計三層超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)四波段的吸波器。改變結(jié)構(gòu)參數(shù)以及中間介質(zhì)厚度使入射電磁波與吸波器產(chǎn)生諧振，從而達到吸波的效果。

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