魯磊屈紹波夏頌 徐卓 馬華王甲富余斐

1)(空軍工程大學(xué)理學(xué)院，西安 710051)

2)(西安交通大學(xué)，電子材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

(2012年6月7日收到;2012年8月5日收到修改稿)

1 引言

超材料是一類新型人工復(fù)合材料，具有許多奇異的電磁特性，如負(fù)折射率、完美透鏡和隱身斗篷等[1-5].超材料另一方面的重要應(yīng)用是完美吸波體[6].通過(guò)調(diào)整超材料亞波長(zhǎng)單元的尺寸和形狀，可以分別調(diào)節(jié)超材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，使得反射率R和透射率T同時(shí)達(dá)到最小，從而實(shí)現(xiàn)吸收率A達(dá)到最大(A=1-R-T).自2008年Landy等[6]提出微波頻段完美吸收超材料吸波體后，超材料吸波體引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其研究領(lǐng)域也從微波頻段[7-12]拓展到太赫茲[13-15]、紅外[16-18]以及光頻段[19-21].然而，關(guān)于雙向吸收超材料吸波體卻鮮有報(bào)道，這限制了其應(yīng)用范圍.2010年Hu等[22]提出了雙向吸收平面結(jié)構(gòu)超材料吸波體，但是該吸波體是極化相關(guān)的.

本文仿真設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種極化無(wú)關(guān)的雙向吸收平面結(jié)構(gòu)超材料吸波體.通過(guò)全波仿真研究了該吸波體對(duì)不同極化電磁波在斜入射情況下的吸收效果，以及通過(guò)對(duì)單元金屬結(jié)構(gòu)的表面電流分布研究了其諧振特性，并分析了其損耗主要來(lái)自介質(zhì)基板的介電損耗.最后，加工出實(shí)驗(yàn)樣品并進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該超材料吸波體的雙向吸收特性.該吸波體吸收率高、厚度薄、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且可通過(guò)按比例調(diào)節(jié)超材料吸波體的單元尺寸大小，使其工作于其他頻段.

2 仿真設(shè)計(jì)和分析

超材料吸波體由三層周期金屬結(jié)構(gòu)組成，中間被兩層介質(zhì)基板隔開，如圖1(a)所示.電磁波垂直入射到吸波體表面，其中電場(chǎng)沿+x方向，磁場(chǎng)沿+y方向，沿z軸的兩個(gè)方向分別記為激勵(lì)端口1和激勵(lì)端口2.周期金屬結(jié)構(gòu)采用耶路撒冷十字電諧振結(jié)構(gòu)，其單元形狀如圖1(b)所示，具體尺寸為：a=5 mm，b=4.8 mm，c=3 mm，w1=0.6 mm，w2=0.2 mm.周期金屬結(jié)構(gòu)由銅箔構(gòu)成，其電導(dǎo)率為5.8×107S/m，厚度為t=0.02mm.介質(zhì)基板采用FR-4雙面板，其相對(duì)介電常數(shù)為εr=3.9(1+i0.03)，厚度為h=0.4 mm.耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)對(duì)垂直入射電磁波具有強(qiáng)烈的電諧振，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的電耦合;而第一層與第二、三層金屬結(jié)構(gòu)形成環(huán)形電流，產(chǎn)生磁諧振，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的磁耦合.通過(guò)調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)的尺寸和介質(zhì)基板的厚度，可以調(diào)節(jié)吸波體電磁響應(yīng)的頻率和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)吸波體與空氣的阻抗匹配和高損耗.由于耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因而超材料吸波體是極化無(wú)關(guān)的.

圖1 超材料吸波體結(jié)構(gòu)示意圖 (a)側(cè)視圖;(b)單元結(jié)構(gòu)

采用基于有限元的商業(yè)電磁軟件Ansoft HFSS進(jìn)行全波仿真，單元金屬結(jié)構(gòu)周圍的四個(gè)面上均設(shè)為周期邊界條件.超材料吸波體仿真得到的反射率、透射率以及吸收率如圖2所示.由于超材料吸波體在電磁波傳播方向上是對(duì)稱的，因而電磁波沿端口1和端口2入射所得到的散射參數(shù)是相同的，圖2僅給出沿一個(gè)方向的結(jié)果.在10.7 GHz，反射率R=|S11|2達(dá)到最小，同時(shí)透射率T=|S21|2也非常小，此時(shí)吸收率達(dá)到最大為90.7%，半功率帶寬為6.6%，從而實(shí)現(xiàn)雙向窄帶強(qiáng)吸收.

超材料吸波體對(duì)不同斜入射角度橫電(TE)極化和橫磁(TM)極化電磁波的吸收情況如圖3所示.其中，θ為電磁波波矢與超材料吸波體法線的夾角.如圖3(a)所示，對(duì)于TE極化波，隨著斜入射角度θ的增加，吸收峰頻率基本保持不變，而吸收率逐漸減小，θ為60°時(shí)，吸收率仍可達(dá)到70%.對(duì)于TM極化波，隨著θ的增加，吸收峰頻率發(fā)生藍(lán)移，吸收率逐漸增大，θ為50°時(shí)，吸收率達(dá)到最大為99.3%.該超材料吸波體對(duì)斜入射TE極化和TM極化電磁波均具有較好的吸收效果.

圖2 超材料吸波體仿真的反射率、透射率和吸收率

圖3 對(duì)不同斜入射角度下電磁波的吸收率 (a)TE極化波;(b)TM極化波

圖4 吸波體單元金屬結(jié)構(gòu)表面電流分布 (a)第一層;(b)第二層;(c)第三層

超材料吸波體單元結(jié)構(gòu)在吸收峰頻率10.7 GHz的表面電流分布如圖4所示.在電磁波垂直入射到超材料吸波體表面的情況下，圖4(a)中第一層金屬結(jié)構(gòu)在平行電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電諧振，圖4(b)和4(c)中第二層、三層金屬結(jié)構(gòu)上的電流方向與第一層金屬結(jié)構(gòu)上的電流方向相反，形成環(huán)流，產(chǎn)生磁諧振.在阻抗匹配時(shí)，吸波體對(duì)入射電磁波的反射最小，且超材料吸波體在諧振頻率附近具有較大的金屬歐姆損耗和介質(zhì)基板的介電損耗，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)吸收.為分析超材料吸波體的損耗來(lái)源，我們仿真了金屬結(jié)構(gòu)銅片或是介質(zhì)基板具有損耗時(shí)的吸收率情況.如圖5所示，當(dāng)僅金屬結(jié)構(gòu)具有損耗，即銅片和無(wú)耗基板組合時(shí)，吸收率最大只有22.6%;而當(dāng)僅介質(zhì)基板含有損耗，即理想電導(dǎo)體(PEC)和損耗基板組合時(shí)，其吸收率曲線與采用金屬結(jié)構(gòu)銅片和損耗基板組合時(shí)的吸收率曲線基本重合，由此說(shuō)明該超材料吸波體的損耗主要來(lái)自于介質(zhì)基板.超材料吸波體介質(zhì)基板中的單位體積能量損耗密度如圖6(a)和(b)所示，介電損耗主要集中于耶路撒冷十字沿電場(chǎng)方向的兩臂之間第一層介質(zhì)基板中.

圖5 超材料吸波體損耗來(lái)源分析

圖6 吸波體介質(zhì)基板中的單位體積能量損耗密度 (a)第一層;(b)第二層

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用印刷電路板技術(shù)，首先用厚度為0.4 mm的FR-4雙面板加工出前兩層金屬結(jié)構(gòu)，再用厚度同樣為0.4 mm的FR-4單面板加工出第三層金屬結(jié)構(gòu)，最后用粘合劑將加工出的兩塊樣品粘在一起.最終加工出的樣品實(shí)物如圖7(a)所示，樣品尺寸為20 mm×10 mm，共4×2個(gè)單元，每個(gè)單元金屬結(jié)構(gòu)的尺寸與圖1(b)中的仿真尺寸相同.實(shí)驗(yàn)所采用的矩形波導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)如圖7(b)所示，由HP8270ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和X波段的BJ100標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)組成，矩形波導(dǎo)橫截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm，樣品用泡沫固定于矩形波導(dǎo)的中間位置.

圖7 (a)加工樣品照片;(b)矩形波導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)

圖8 實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)試數(shù)據(jù) (a)S參數(shù);(b)吸收率

圖9 仿真有限大尺寸超材料吸波體的反射率、透射率和吸收率

測(cè)試超材料吸波體樣品得到的散射(S)參數(shù)如圖8(a)所示，|S12|與|S21|基本重合;|S22|較|S11|差，產(chǎn)生很多反射，但都在11.1 GHz同時(shí)達(dá)到最小.吸收率曲線如圖8(b)所示，電磁波分別沿端口1和端口2入射時(shí)，吸收率峰值依次為95.9%和90.8%.吸波體總厚度約為0.8 mm，工作波長(zhǎng)約1/34.

圖8(a)中|S22|和|S11|在高頻段幅值略有不同，這主要是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)樣品加工制作過(guò)程中，用粘合劑將先后加工出的兩塊樣品粘在一起，不可避免地會(huì)在樣品之間引入空氣層和粘合劑，導(dǎo)致最終加工出的樣品在電磁波傳播方向上不是完全對(duì)稱的，即樣品的兩面與空氣的阻抗匹配特性略有不同，從而使得反射率也略有差異;此外，實(shí)際樣品在矩形波導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多擾動(dòng)，如圖8(a)所示反射系數(shù)低谷兩側(cè)頻段，這也是導(dǎo)致|S22|和|S11|存在差異的原因之一.

圖9為仿真的與樣品實(shí)物大小相同的有限大尺寸超材料吸波體在矩形波導(dǎo)環(huán)境下的反射率、透射率和吸收率曲線，其吸收峰頻率和幅值分別為10.96 GHz和93.6%.比較圖8(b)和圖9中的吸收率曲線，超材料吸波體測(cè)試的吸收峰頻率較仿真結(jié)果向高頻移動(dòng)了0.14 GHz.這主要是由于FR-4基板介電常數(shù)的不均勻性以及測(cè)試樣品的有限大尺寸引起的;FR-4基板介電常數(shù)會(huì)隨著頻率增大而減小，而有限大尺寸會(huì)使得樣品的總體電容減小，從而使得吸收峰頻率向高頻移動(dòng).總體來(lái)看，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好，驗(yàn)證了該超材料吸波體的雙向吸收特性.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制作了極化無(wú)關(guān)雙向吸收超材料吸波體，該吸波體對(duì)斜入射TE極化和TM極化電磁波具有較好的吸收效果，通過(guò)金屬單元結(jié)構(gòu)的表面電流分布研究了其電磁諧振特性，并仿真分析了吸波體強(qiáng)吸收的損耗主要來(lái)自FR-4介質(zhì)基板的介電損耗.加工出超材料吸波體實(shí)驗(yàn)樣品并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該吸波體在11.1 GHz實(shí)現(xiàn)了雙向強(qiáng)吸收，吸收率分別為95.9%和90.8%.該吸波體厚度較薄，工作波長(zhǎng)約為1/34.總之，本文設(shè)計(jì)的吸波體厚度薄、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可用于雷達(dá)吸波材料，具有較好的應(yīng)用前景.

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