一種基于超材料的六頻帶吸波體設(shè)計

李 易

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

超材料吸波體在近些年引起了人們的廣泛關(guān)注。自從2008年Landy[1]等第一次提出了完美吸波的超材料吸波體，人們開始深入研究這種通過達到阻抗匹配時的金屬結(jié)構(gòu)諧振和有損耗的電介質(zhì)對電磁波進行損耗吸收的吸波體。之后，人們對超材料吸波體的研究慢慢擴展開來，例如雙頻帶[2-3]、三頻帶、寬帶[4]和可調(diào)頻帶吸收。

本文采用6個同心金屬環(huán)相套的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了6個頻帶的吸波。由于組成該結(jié)構(gòu)單元的金屬方環(huán)具有四重旋轉(zhuǎn)對稱性，所以該結(jié)構(gòu)具有極化無關(guān)特性，又由仿真驗證該結(jié)構(gòu)具有入射不敏感特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文利用HFSS軟件進行建模仿真，模型由真空腔，金屬背板，超材料介質(zhì)與金屬結(jié)構(gòu)四部分組成，如圖1所示：

圖1 仿真模型

圖2 結(jié)構(gòu)尺寸

真空腔體四周設(shè)置二個主從邊界條件用于控制入射波入射角度以及模擬無限周期單元，頂部設(shè)置floquet端口模擬無限遠處發(fā)射來的平行入射波。

超材料吸波體的單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，由超材料介質(zhì)，金屬背板與金屬結(jié)構(gòu)三部分組成，超材料介質(zhì)為FR4材料，頂面為邊長a=18mm的正方形，厚度t=3mm，介電常數(shù)4.4，電損耗正切角0.02。金屬背板與金屬結(jié)構(gòu)材料都為銅，金屬結(jié)構(gòu)由6個同心方框組成，最大的方框邊長c=16mm，每個方框?qū)挾染鶠閑=0.6mm，方框間距均為w=0.2mm。

2 仿真分析

2.1 吸波率

反射率R=|S11|2，透射率T=|S21|2，吸波率A=1-|S11|2-|S21|2=1-R-T，其中S11為該吸波體的反射系數(shù)，S21為吸波體的傳輸系數(shù)。因為模型中底面是金屬底板，沒有電磁波透射，所以|S21|2=0，則A=1-|S11|2=1-R。通過HFSS仿真得到該結(jié)構(gòu)在2GHz到7GHz頻段范圍內(nèi)的吸波效果如圖所示：

圖3 吸波率曲線

由圖3中可以看出一共有6個吸收波峰，2.5GHz處波峰較低，僅達到64.7%的吸波效率。其他5個波峰均達到了90%以上的吸波效率，在3.32GHz處效率為94.1%，在3.78GHz處效率為98.1%，在4.36GHz處效率為98.9%，在5.12GHz處效率為90.5%，在6.14GHz處效率為96.6%。該吸波體結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)在3.32GHz、3.78GHz、4.36GHz、5.12GHz以及6.14GHz這5個頻點處的完美吸波，而在2.5GHz處吸波效果不是很理想。

2.2 寬入射角特性

通過設(shè)置不同電磁波入射角度進行仿真得到下圖結(jié)果：

圖4 不同入射角的吸波率曲線

從圖4中可以看到，在0°，20°，40°，60°以及80°這五種入射角度情況下，吸波率曲線變化不大，所以該結(jié)構(gòu)具有入射角不敏感特性。

2.3 諧振吸波

超材料吸波體是利用超材料的電磁諧振特性達到吸波功能的。在不同的諧振頻點處，超材料吸波體的不同區(qū)域發(fā)生電磁諧振將電磁波能量限制在吸波體內(nèi)，并轉(zhuǎn)化為熱能完成吸波。

為了更好地理解吸波原理，分別對6個諧振頻點處上層結(jié)構(gòu)與金屬底板上的電流分布進行了仿真。

圖5 在2.5GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖5中可以看出，在2.5GHz處主要由最大的方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進行吸收。

圖6 在3.3GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖6中可以看出，在3.3GHz處主要由從外到內(nèi)第二個方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進行吸收。

圖7 在3.78GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖7中可以看出，在3.78GHz處主要由從外到內(nèi)第三個方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進行吸收。

從圖8中可以看出，在4.36GHz處主要由從外到內(nèi)第四個方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在上下兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進行吸收?？梢钥吹诫娏鞣植枷蛴覀?cè)偏移。

圖8 在4.36GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

圖9 在5.12GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖9中可以看出，在5.12GHz處主要由從外到內(nèi)第五個方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在左右兩邊形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進行吸收。

圖10 在6.14GHz處結(jié)構(gòu)和金屬底板表面電流分布

從圖10中可以看出，在6.14GHz處主要由最小的方框與金屬底板發(fā)生電磁諧振，在兩個對角形成與金屬底板上電流反向平行的電流，對電磁波進行吸收。通過上述結(jié)果，可以看出吸波結(jié)構(gòu)的不同部位，分別影響不同頻點的諧振吸波。

3 結(jié)束語

本文通過HFSS仿真設(shè)計了一種基于電磁超材料的具有6個頻帶吸波特性的吸波體。該吸波體擁有在2.5GHz、3.32GHz、3.78GHz、4.36GHz、5.12GHz、6.14GHz等6個頻點處的吸波峰值，只有在2.5GHz處吸波率僅達到64.7%，其他5個頻點均達到了吸波率90%以上的完美吸波。此外由于該結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對稱性，因而具有極化不敏感特性，又經(jīng)由仿真驗證該結(jié)構(gòu)具有寬入射角特性，該超材料吸波體在雷達隱身領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。