楊曙輝 陳迎潮 王文松,3 康勁 賀學(xué)忠

(1.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100101;2.南卡羅萊納大學(xué)電氣工程系, 哥倫比亞 美國(guó) SC29208;3.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,南京 210016; 4.北卡羅萊納大學(xué)格林斯堡分校文理學(xué)院,格林斯堡 美國(guó) NC27412)

?

一種基于超材料的極化無(wú)關(guān)超寬帶吸波器

楊曙輝1,2陳迎潮2王文松2,3康勁1賀學(xué)忠4

(1.北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100101;2.南卡羅萊納大學(xué)電氣工程系, 哥倫比亞 美國(guó) SC29208;3.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,南京 210016; 4.北卡羅萊納大學(xué)格林斯堡分校文理學(xué)院,格林斯堡 美國(guó) NC27412)

提出了一種新的基于氮化鉭金屬膜和多孔泡沫介質(zhì)的具有超寬帶吸收特性的超材料吸波器.吸收率大于80%的頻段為15.5～47.2 GHz(在18.3 GHz,達(dá)到最大吸收率99.89%),相對(duì)帶寬約為101%,完全覆蓋了K波段、Ka波段,部分覆蓋了U波段.對(duì)于斜入射的橫電波、橫磁波具有較寬角度的吸波性能.由于吸波單元的金屬圖案設(shè)計(jì)為5個(gè)同心圓環(huán)結(jié)構(gòu),具有全向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,因而是極化無(wú)關(guān)的.該吸波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.容易制作,在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值.

超材料吸波器;超寬帶;極化無(wú)關(guān);電磁諧振

引 言

超材料(又稱為異向介質(zhì)[1-2])吸波器是一種結(jié)構(gòu)型吸波體,由周期性吸波單元形成吸波陣列,每個(gè)吸波單元一般為“三明治”結(jié)構(gòu):頂層的金屬圖案、中間層的介質(zhì)基板以及底層的金屬短線或接地板. 基于超材料的完美吸波器由Landy[3]于2008年首先提出,與傳統(tǒng)的材料型吸波體相比,具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于解決電磁干擾、電磁兼容以及減少目標(biāo)體的雷達(dá)散射截面等問(wèn)題,近年來(lái)得到快速發(fā)展. 目前已報(bào)道的超材料吸波器工作頻段包括聲學(xué)頻域[4]、微波頻域[5-9]、太赫茲[10-11]、紅外及光頻域[12-15]等.

超材料吸波器的吸波機(jī)理是基于波的電磁諧振,當(dāng)入射進(jìn)入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結(jié)構(gòu)的諧振頻率時(shí),吸波器的等效阻抗將與自由空間的波阻抗實(shí)現(xiàn)匹配,此時(shí)電磁波的反射將減少,電磁能量通過(guò)導(dǎo)體和介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)損耗,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收[16].基于諧振吸波的原理使得超材料吸波器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,但也導(dǎo)致其工作頻段一般是窄帶的,限制了其應(yīng)用.近年來(lái)研究人員不斷探索構(gòu)造雙頻[9]、三頻[16]及寬帶[17-21]吸波器.文獻(xiàn)[17]采用磁性吸波材料與三個(gè)同心金屬方環(huán)相復(fù)合的方法,實(shí)現(xiàn)了基本覆蓋X波段和Ku波段的寬帶吸收特性.文獻(xiàn)[18]基于正方形金屬貼片與電阻型頻率選擇表面的復(fù)合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了3～25 GHz的寬帶吸收. Chen[19]設(shè)計(jì)了一種基于集總電阻的低頻寬帶吸波器,不足之處是吸波器體積增大,并且集總電阻存在的固有誤差將影響各吸波單元的一致性設(shè)計(jì).此外,還有學(xué)者采用噴涂技術(shù)構(gòu)造電阻膜,形成頻率選擇表面實(shí)現(xiàn)寬帶吸波[20].由于噴墨工藝的局限性,圖案的設(shè)計(jì)精度將受限,而且通過(guò)控制噴墨厚度來(lái)確定電阻膜方塊電阻值也存在一定誤差[21].

本文以多孔泡沫為介質(zhì)基板,介質(zhì)上層采用氮化鉭金屬膜,構(gòu)造5個(gè)同心圓環(huán)圖案,介質(zhì)下層以金屬銅作為接地板,設(shè)計(jì)出一種15.5～47.2 GHz超寬頻帶吸波器,相對(duì)帶寬約為101%,完全覆蓋了K波段、Ka波段,部分覆蓋了U波段．并且,由于吸波單元的圓環(huán)結(jié)構(gòu)具有各向的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,吸波是極化無(wú)關(guān)的.此外,結(jié)合微帶線理論給出了該吸波單元的集總元件等效電路,采用ADS軟件進(jìn)行微波信號(hào)源激勵(lì)的電路級(jí)仿真,其吸收率結(jié)果與用HFSS軟件進(jìn)行的全波分析結(jié)果基本相符.通過(guò)改變等效電路中集總元件值即可改變吸波性能,便于指導(dǎo)設(shè)計(jì)所需頻段的超材料吸波器的物理結(jié)構(gòu).

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]可知,當(dāng)電磁波垂直入射超材料結(jié)構(gòu)的吸波單元時(shí),電磁能量的吸收主要是通過(guò)金屬損耗和介質(zhì)損耗實(shí)現(xiàn)的.對(duì)于介質(zhì)上層的金屬圖案而言,吸收出現(xiàn)在等效電感、等效電容諧振時(shí),此時(shí)消耗電磁能量的是金屬電阻.因此,為了提高吸波能力,拓展吸波頻帶,本文提出了一種介質(zhì)上層采用氮化鉭金屬膜的方法,有效提高金屬電阻.氮化鉭的相對(duì)介電常數(shù)εr=1,相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1,電導(dǎo)率σ=7 400 S/m.為了實(shí)現(xiàn)寬帶吸波以及極化無(wú)關(guān),金屬圖案設(shè)計(jì)為5個(gè)同心圓環(huán),吸波單元的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.介質(zhì)層采用多孔泡沫,其相對(duì)介電常數(shù)εr=1.05,相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1,損耗角正切為0.005.為了減少透射,介質(zhì)底層設(shè)計(jì)為金屬銅的接地板.優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如下:氮化鉭金屬膜厚度為 0.02 mm,5個(gè)同心圓環(huán)的寬度統(tǒng)一為w=0.18mm,圓環(huán)間縫隙寬度g=0.1 mm,最小圓環(huán)的半徑為1.005 mm;介質(zhì)層厚度h=1.4 mm,正方形介質(zhì)基板邊長(zhǎng)a=4.6 mm;介質(zhì)底層接地板金屬銅的厚度為0.02 mm.

圖1 基于超材料的超寬帶吸波器單元結(jié)構(gòu)

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

利用基于有限元法的高頻電磁軟件HFSS14.0對(duì)超材料吸波器進(jìn)行全波仿真,單元結(jié)構(gòu)的上下端口采用Floquet端口模式,四周設(shè)置為周期性主從邊界條件.基于Floquet模式進(jìn)行場(chǎng)求解,能有效仿真電磁波以某種極化方式斜入射進(jìn)入二維周期性結(jié)構(gòu),求解后的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)能以S參數(shù)形式顯示.再利用S參數(shù)求出吸波器的反射率(R),透射率(T)和吸收率[17]:A=1-R-T=1-|S11|2-|S21|2.圖2所示為電磁波垂直入射吸波單元時(shí)的反射率、透射率和吸收率曲線.

圖2 垂直入射時(shí)的反射率、透射率和吸收率

從圖2可以看出,由于介質(zhì)底層采用了接地板,透射率在全頻帶幾乎為0,吸收率達(dá)到80%以上的頻段為15.5～47.2 GHz.當(dāng)入射波頻率為18.3 GHz時(shí),達(dá)到最大吸收率99.89%,中心頻率為31.35 GHz,相對(duì)帶寬約為101%,實(shí)現(xiàn)了超寬帶吸波,工作頻帶完全覆蓋了K波段、Ka波段以及部分覆蓋了U波段.

寬帶吸波的基本原理在于介質(zhì)上層采用了多個(gè)金屬圓環(huán)圖案,半徑小的圓環(huán)對(duì)入射的高頻段電磁波產(chǎn)生LC諧振,半徑大的圓環(huán)對(duì)低頻段電磁波諧振.圖3所示為單大環(huán)、單小環(huán)及二環(huán)組合結(jié)構(gòu)吸波單元的吸收率曲線.從圖中可以看出組合結(jié)構(gòu)的吸收率是各單環(huán)結(jié)構(gòu)吸收率的疊加,因而拓展了工作頻帶.

圖3 單大環(huán)、單小環(huán)及二環(huán)組合結(jié)構(gòu)吸波單元的吸收率

為了更好地研究本文提出的超寬帶吸波器工作機(jī)理,以下將從電路的角度進(jìn)行分析.在電磁波垂直入射的情況下,圖1所示的超材料吸波單元可以看作是一個(gè)單端口的電路網(wǎng)絡(luò),結(jié)合微帶線理論給出如圖4所示的集總元件等效電路.

圖4 吸波單元集總元件等效電路

微波信號(hào)從電路網(wǎng)絡(luò)的左端輸入,代表電磁波從吸波單元的介質(zhì)上層金屬圓環(huán)面垂直入射,5個(gè)半徑不同的金屬圓環(huán)(為表達(dá)方便,按半徑從大到小依次編號(hào)為圓環(huán)1、圓環(huán)2、…、圓環(huán)5)與介質(zhì)和接地板復(fù)合形成 5 組電阻、電感、電容串聯(lián)電路,然后并聯(lián)在一起.其中的電阻Ri(i=1,2,…,5)對(duì)應(yīng)5組圓環(huán)金屬的等效電阻;電感Li(i=1,2,…,5)對(duì)應(yīng)圓環(huán)的等效電感;電容Ci(i=1,2,…,5)對(duì)應(yīng)圓環(huán)與接地板之間的等效電容.

根據(jù)文獻(xiàn)[22],各圓環(huán)的等效電阻可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中: σ為氮化鉭的導(dǎo)電率; w為各金屬圓環(huán)的寬度; t為金屬層厚度(各金屬環(huán)寬度、厚度都分別相等); li(i=1,2,…,5)代表5組圓環(huán)周長(zhǎng).

因氮化鉭金屬層非常薄,可忽略金屬邊緣的電容效應(yīng),僅需考慮金屬圓環(huán)與接地板之間形成的等效電容(看作平板電容),計(jì)算表達(dá)式為[23]

(2)

式中: ε0為自由空間的介電常數(shù); εr為金屬板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);s為圓環(huán)的面積;h為介質(zhì)的厚度.利用公式(2)可分別計(jì)算出5組圓環(huán)的等效電容C1,C2,…,C5. 此外,根據(jù)每個(gè)金屬環(huán)的諧振頻率公式

(3)

分別計(jì)算出5組圓環(huán)的等效電感L1,L2,…,L5.

圖4中的互感Lij、互容Cij(i,j=1,2,…,5)代表各金屬圓環(huán)間的等效互感、互容.其中,忽略了間隔2環(huán)及以上環(huán)路間的互感、互容效應(yīng).根據(jù)文獻(xiàn)[23]針對(duì)平行微帶線間互感、互容的計(jì)算方法,本文中的互感、互容可近似為:

(4)

(5)

對(duì)于介質(zhì)層可用介電常數(shù)εd、磁導(dǎo)率μd和導(dǎo)電率σd表征.對(duì)于復(fù)數(shù)介電常數(shù)εd,包含有實(shí)部和虛部分量,有εd=εd1-jεd2,根據(jù)文獻(xiàn)[24],介質(zhì)損耗角正切與復(fù)數(shù)介電常數(shù)、導(dǎo)電率的關(guān)系為

(6)

式中,ω代表經(jīng)過(guò)介質(zhì)傳播的電磁波角頻率.介質(zhì)的特性阻抗ηd可通過(guò)下式計(jì)算[24]

(7)

式中:μd=μ0μr,εd1=ε0εr. 本文設(shè)計(jì)吸波器所選介質(zhì)的εd2=0,tanδd=0.005,于是介質(zhì)的等效電阻和等效電感可通過(guò)下式計(jì)算[24]:

Rd=Re(ηd);

(8)

Ld=Im(ηd)/(jω).

(9)

通過(guò)式(1)～(9)計(jì)算出圖4電路中各集總元件值,再利用ADS軟件進(jìn)行電路級(jí)仿真,電路的端口處以掃頻形式輸入1～60GHz微波信號(hào),仿真得到相應(yīng)的S參數(shù),并計(jì)算出吸收率,如圖5所示.

作為對(duì)比同時(shí)給出利用HFSS電磁仿真得到的吸收率,從圖5可以看出二者曲線趨勢(shì)基本相符.誤差主要來(lái)源于利用式(4)、(5)計(jì)算兩個(gè)同心環(huán)間的互感、互容時(shí),其周長(zhǎng)不相等,取小環(huán)的周長(zhǎng)來(lái)近似計(jì)算.

圖5 利用等效電路仿真得到的吸收率

在垂直入射的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究超材料吸波器對(duì)斜入射電磁波的吸收情況.針對(duì)TE波和TM波設(shè)置不同的斜入射角,得到的吸收率曲線如圖6所示(插圖中定義斜入射角θ為入射電磁波波矢與吸波器入射面法線的夾角).

對(duì)于TE波,當(dāng)斜入射角從 0° 逐漸增加到50°時(shí),在工作頻段內(nèi),吸收率逐漸下降,但還能保持在80%以上,低頻段保持平坦,高頻段出現(xiàn)吸收振蕩;當(dāng)斜入射角大于60°時(shí),工作頻段內(nèi)的吸收率開(kāi)始低于80%,并且高頻段吸收振蕩加劇.對(duì)于TM波,斜入射角對(duì)吸收率的影響總體趨勢(shì)與TE波相似,但更嚴(yán)重一些.當(dāng)斜入射角大于50°時(shí),吸收率高頻段振蕩更劇烈,低頻段吸收率低于80%,并且吸收率下降速度超過(guò)TE波.此外,可以看出當(dāng)斜入射角增大的過(guò)程中,TE波、TM波吸收率都出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象,且TM波的藍(lán)移速度更快.

超材料吸波器對(duì)垂直入射但具有不同極化角電磁波的吸收情況如圖7所示(其中插圖定義極化角φ為電場(chǎng)E與+x軸夾角).從圖7可以看出針對(duì)不同的極化角,吸收率曲線完全重合,原因在于所設(shè)計(jì)的金屬同心圓環(huán)組具有全向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性(為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)這里僅給出 TE 波吸收率曲線,對(duì)TM波的吸收結(jié)果類似),吸波時(shí)具有極化無(wú)關(guān)特性.

圖6 不同斜入射角時(shí)的吸收率

圖7 具有不同極化角時(shí)的吸收率

超材料吸波器的性能不僅與金屬圖案有關(guān),還與介質(zhì)特性及其厚度有很大關(guān)系.本文采用的介質(zhì)為多孔泡沫,圖8(a)為介質(zhì)厚度為不同值時(shí)的吸收率曲線.可以看出介質(zhì)厚度對(duì)吸收率影響比較明顯,當(dāng)厚度低于0.8 mm或高于2.4 mm時(shí),工作頻帶內(nèi)的吸收率將低于80%;厚度為1.2～2.0 mm,吸收率性能良好.圖8(b)為介質(zhì)不同厚度對(duì)利用S參數(shù)反演法[25]得到的歸一化阻抗實(shí)部的影響.當(dāng)厚度低于0.8 mm或高于2.4 mm時(shí),歸一化阻抗的實(shí)部遠(yuǎn)離1,表明吸波器與自由空間波阻抗的阻抗匹配變差,反射增強(qiáng),吸收率降低;當(dāng)厚度為1.2～2.0 mm時(shí),歸一化阻抗的實(shí)部接近于1,表明達(dá)到較好的阻抗匹配,提高了吸收率.

圖8 介質(zhì)厚度對(duì)吸收率及阻抗實(shí)部的影響

為了研究超材料吸波器的寬帶諧振吸波特性,圖9和圖10分別給出了吸波器在四個(gè)諧振頻率處上層圓環(huán)的面電流分布和接地板金屬內(nèi)側(cè)表面的功率損耗密度分布.仿真以TE波為例,電場(chǎng)平行于y軸(圖中上下方向).圖9(a)為吸波單元在較低頻率17.7 GHz的面電流分布,面電流主要集中于y軸方向半徑最大圓環(huán)內(nèi)側(cè)部分,表明此時(shí)的諧振頻率主要與最大圓環(huán)有關(guān),而半徑小的圓環(huán)以及和電場(chǎng)垂直的x軸方向的大圓環(huán)上的面電流分布少.圖9(b)為吸波單元在23.0 GHz的面電流分布,主要集中于y軸方向第二大圓環(huán)的內(nèi)側(cè).圖9(c)為吸波器在31.7 GHz的面電流分布,主要集中于y軸方向的5個(gè)圓環(huán)的內(nèi)側(cè),說(shuō)明這個(gè)諧振頻率與5個(gè)圓環(huán)有關(guān).圖9(d)為吸波器在47.2 GHz面電流分布,主要集中于兩個(gè)最小環(huán)的內(nèi)側(cè),說(shuō)明高頻諧振頻率主要與半徑小的圓環(huán)有關(guān).由此可見(jiàn),不同尺寸的圓環(huán)在不同頻率產(chǎn)生諧振,多個(gè)諧振頻率疊加實(shí)現(xiàn)超寬帶吸波.

超材料吸波器在接地板上的功率損耗密度分布與其電流分布形式類似,為簡(jiǎn)潔起見(jiàn),圖10中僅給出金屬銅接地板在四個(gè)諧振頻率處的功率損耗密度分布.圖中的圓環(huán)虛線用于標(biāo)明對(duì)應(yīng)的上層圓環(huán)的位置. 可見(jiàn),接地板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生功率損耗最強(qiáng)的區(qū)域與圖9中圓環(huán)面電流分布最集中的位置相對(duì)應(yīng).當(dāng)諧振頻率低時(shí)功率損耗集中在接地板y軸方向的上下兩部分,在接地板的中間及x軸方向的功率損耗密度分布少.當(dāng)諧振頻率逐步升高時(shí),損耗逐步集中于接地板的中間圓面部分,四周損耗減少(包括y軸方向的上下兩部分),特別是遠(yuǎn)離中間圓面四個(gè)角的功率損耗密度分布最小.

圖9 在4個(gè)諧振頻率處上層圓環(huán)圖案中的電流分布

圖10 在4個(gè)諧振頻率處接地板內(nèi)表面功率損耗密度分布

3 結(jié) 論

本文采用5個(gè)同心氮化鉭圓環(huán),以泡沫為基板,金屬銅為接地板,設(shè)計(jì)了一種具有超寬帶吸收特性且極化無(wú)關(guān)的新型超材料吸波器.該吸波器在15.5～47.2 GHz頻段的吸收率均大于80%,完全覆蓋了K波段、Ka波段,部分覆蓋了U波段,該吸波器對(duì)斜入射的TE波、TM波有較寬角度的吸波特性.利用微帶線理論,給出了超材料吸波單元的集總元件等效電路及元件參數(shù)計(jì)算方法,比較了電路級(jí)仿真及電磁仿真得到的吸收率曲線,二者基本相符.通過(guò)改變等效電路中集總元件值即可改變吸波性能,便于今后指導(dǎo)設(shè)計(jì)所需要頻段的超材料吸波器的物理結(jié)構(gòu).此外,研究了介質(zhì)厚度對(duì)吸波性能以及超材料單元結(jié)構(gòu)等效阻抗的影響.通過(guò)分析吸波器在各諧振頻率的電流分布和功率損耗密度分布,進(jìn)一步研究了吸波器的諧振吸收機(jī)理.本文設(shè)計(jì)的極化無(wú)關(guān)超寬帶吸波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作,在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值.

[1] 張洪欣, 徐楠, 黃麗玉,等. 電磁異向介質(zhì)在陣列天線中的應(yīng)用研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(4):673-677.

ZHANG Hongxin, XU Nan, HUANG Liyu, et al. Application of metamaterials in antenna array[J].Chinese journal of Radio Science, 2014, 29(4): 673-677.(in Chinese)

[2] 徐含樂(lè), 祝小平, 周洲, 等. 基于雙向耦合補(bǔ)償?shù)某牧蟼鬏?反射法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(1): 40-46.

XU Hanle, ZHU Xiaoping, ZHOU Zhou, et al. A metamaterial transmission/reflection method based on bi-directional coupling compensation[J]. Chinese journal of Radio Science, 2014, 29(1):40-46. (in Chinese)

[3] LANDY N I, SAJUYIBER S, MOCK J J, et al. Perfect metamaterial absorber[J]. Phys Rev Lett, 2008, 100: 207402.

[4] 孫國(guó)偉, 林國(guó)昌, 杜星文, 等.一種新型聲學(xué)超材料平板對(duì)機(jī)械波吸收性能的模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào),2012, 61(15): 154302.

SUN Guowei, LIN Guochang, DU Xingwen, et al. Simulation and experimental study of a metamaterial panel for mechanical wave absorption[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(15):154302. (in Chinese)

[5] YE D, WANG Z, XU K, et al. Ultrawideband dispersion control of a metamaterial surface for perfectly-matched-layer-like absorption[J]. Phys Rev Lett, 2013, 111:187402.

[6] YANG G H, LIU X X, Lü Y L, et al. Broadband polarization-insensitive absorber based on gradient structure metamaterial[J]. J Appl Phys, 2014, 115: 17E523.

[7] 楊歡歡, 曹祥玉, 高軍, 等.基于電磁諧振分離的寬帶低雷達(dá)截面超材料吸波體[J]. 物理學(xué)報(bào), 2013,62(2): 214101.

YANG Huanhuan, CAO Xiangyu, GAO Jun, et al. Broadband low-RCS metamaterial absorber based on electromagnetic resonance separation[J]. Acta Physica Sinica, 2013,62(21):214101. (in Chinese)

[8] 趙曉鵬, 張燕萍, 劉亞紅, 等.基于完全吸收超材料的高增益微帶天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 27(2): 402-408.

ZHAO Xiaopeng, ZHANG Yanping, LIU Yahong, et al. High-gain microstrip antenna based on perfect absorbing metamaterial[J]. Chinese journal of Radio Science, 2012, 27(2):402-408. (in Chinese)

[9] 沈曉鵬, 崔鐵軍, 葉建祥. 基于超材料的微波雙波段吸收器[J].物理學(xué)報(bào), 2012, 61(5):058101.

SHEN Xiaopeng, CUI Tiejun, YE Jianxiang. Dual band metamaterial absorber in microwave regime[J]. Acta Physica Sinica,2012, 61(5): 058101. (in Chinese)

[10] TAO H, KADLEC E A, STRIKWERDA A C, et al. Microwave and terahertz wave sensing with metamaterials[J]. Opt Express, 2011, 19: 21620.

[11] 莫漫漫, 文岐業(yè), 陳智, 等.基于圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的超寬帶極化不敏感太赫茲吸收器[J]. 物理學(xué)報(bào), 2013,62 (23): 237801(1-7).

MO Manman, WEN Qiye, CHEN Zhi, et al. A polarization-independent and ultra-broad band terahertz metamaterial absorber studied based on circular-truncated cone structure[J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(23): 237801.(in Chinese)

[12]LIU B, SHEN S. Broadband near-field radiative thermal emitter/absorber based on hyperbolic metamaterials: direct numerical simulation by the wiener chaos expansion method [J]. Phys Rev B, 2013, 87:115403.

[13]蘇斌, 龔伯儀, 趙曉鵬. 樹(shù)葉狀紅外頻段完美吸收器的仿真設(shè)計(jì)[J].物理學(xué)報(bào), 2012, 61(14): 144203.

SU Bin, GONG Boyi, ZHAO Xiaopeng. Numerical simulation of leaf-shaped metamaterial absorber at infrared frequency[J]. Acta Physica Sinica,2012,61(14): 144203.(in Chinese)

[14]LIU X, STARR T, STARR A F, et al. Infrared spatial and frequency selective metamaterial with near-unity absorbance[J]. Phys Rev Lett, 2010, 104: 207403.

[15]LIU N, MESCH M, WEISS T, et al. Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor[J]. Nano Lett, 2010,10: 2342.

[16]SHEN X P, CUI T J, ZHAO J M, et al. Polarization-independent wide-angle triple-band metamaterial absorber [J]. Opt Express, 2011,19: 9401.

[17]魯磊, 屈紹波, 施宏宇, 等.寬帶透射吸收極化無(wú)關(guān)超材料吸波體[J].物理學(xué)報(bào), 2014, 63(2): 028103.

LU Lei, QU Shaobo, SHI Hongyu, et al. A broadband transmission absorption polarization independent metamaterial absorber[J]. Acta Physica Sinica,2014, 63(2): 028103.(in Chinese)

[18]程用志, 聶彥, 龔榮洲, 等.基于超材料與電阻型頻率選擇表面的薄型寬頻帶吸波體的設(shè)計(jì)[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(13): 134101

CHENG Yongzhi, NIE Yan, GONG Rongzhou, et al. Design of a thin wide-band absorber based on metamaterials and resistance frequency selective surface[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(13): 134101.(in Chinese)

[19]CHEN X, LI Y Q, FU Y Q, et al. Design and analysis of lumped resistor loaded metamaterial absorber with transmission band [J]. Opt Express, 2012,20: 28347.

[20]COSTA F, MONORCHIO A. A frequency selective radome with wideband absorbing properties [J]. IEEE Trans Antennas Propag,2012, 60(6):2740-2747.

[21]YOO M, LIM S. Polarization-independent and ultra-wideband metamaterial absorber using a hexagonal artificial impedance surface and a resistor-capacitor layer[J]. IEEE Trans Antennas Propag,2014, 62(5): 2652-2658.

[22]BALANIS C A. Advanced Engineering Electromagnetics [M].2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 2012:116

[23]THIERAUF S C. High-Speed Circuit Board Signal Integrity [M].Norwood: Artech House, 2004: 89.

[24]POZAR D M. Microwave Engineering [M]. 4th ed. New York: John Wiley & Sons, 2012.

[25]SMITH D R, VIER D C, KOSCHNY T, et al. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials[J]. Phys Rev E, 2005, 71: 036617.

A metamaterial-based urltrawideband absorber with polarizagion independent

YANG Shuhui1, 2CHEN Yingchao2WANG Wensong2,3KANG Jin1HE Xuezhong4

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100101,China; 2.DepartmentofElectricalEngineering,UniversityofSouthCarolina,ColumbiaSC29208,USA; 3.CollegeofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China; 4.CollegeofArtsandSciences,UniversityofNorthCarolinaatGreensboro,GreensboroNC27412,USA)

A new type of metamaterial absorber with ultra wideband absorbing performance which is based on metal film of tantalum nitride and porous foam is proposed. The frequency band of which absorbance is more than 80% range from 15.5 GHz to 47.2 GHz (the maximum absorbility achieves 99.89% at 18.3 GHz). The relative bandwidth is approximate of 101% and the operating frequency fully covers the K-band and Ka-band and partly U-band. For the oblique incidence electromagnetic wave of TE mode and TM mode, the absorber exhibits the absorbing property of wide angle. Due to the metal pattern in the metamaterial absorbing cell composed of five concentric rings with omnidirectional rotation symmetry, the absorber possesses excellent polarization indepe-ndent characteristics. The presented absorber has the advantages of simple structure, easy fabrication, thus it has important application value in the fields of electromagnetic stealth and electromagnetic compatibility.

metamaterial absorber; ultra wideband; polarization independent; electromagnetic resonance

10.13443/j.cjors. 2014111301

2014-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(61171039)

O441.4

A

1005-0388(2015)05-0934-08

楊曙輝 (1971-),男,黑龍江人,北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院教授,北京市級(jí)優(yōu)秀教師,北京市級(jí)中青年骨干教師,IEEE會(huì)員,主要從事無(wú)線通信系統(tǒng)、射頻/微波電路設(shè)計(jì)、高速電路信號(hào)完整性、CMOS集成電路設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研究工作．

陳迎潮 (1956-),男,美籍華人,美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)教授,博導(dǎo),北京市海外高層次人才暨北京市特聘專家,IEEE高級(jí)會(huì)員,主要從事高速電路信號(hào)完整性、無(wú)線通信射頻芯片組設(shè)計(jì)、毫米波集成電路、無(wú)線通信系統(tǒng)、微波天線及散射應(yīng)用等領(lǐng)域的研究工作．

王文松 (1986-),男,河南人,南京航空航天大學(xué)及美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生,主要從事高速電路信號(hào)完整性和射頻集成電路等領(lǐng)域的研究工作．

楊曙輝, 陳迎潮, 王文松, 等. 一種基于超材料的極化無(wú)關(guān)超寬帶吸波器[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(5):834-841.

YANG Shuhui, CHEN Yingchao, WANG Wensong, et al. A metamaterial-based urltrawideband absorber with polarizagion independent [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):834-841. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014111301

聯(lián)系人： 楊曙輝 E-mail: yangshuhui@bistu.edu.cn