孔祥林 馬洪宇 陳鵬 梁倉(cāng) 王偉華 韓奎 張生俊 劉曉春 趙雷 沈曉鵬

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，徐州 221116；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院，徐州 221116；3. 試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；4. 高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250023）

引 言

微波吸波體作為吸收和耗散電磁波能量、抑制電磁波反射和傳播的有效工具，在電磁屏蔽、無(wú)線通信、成像和雷達(dá)隱身等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]. 在過去的幾十年里，人們對(duì)吸波體設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究. 傳統(tǒng)的吸波體，如Salisbury 屏[5]、Dallenbach吸波體[6]等可以實(shí)現(xiàn)完美吸收. 然而，巨大的體積和質(zhì)量限制了它們?cè)陔姶蓬I(lǐng)域的潛在應(yīng)用.

超材料，又稱人工電磁材料，通常由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元按周期或有規(guī)律的非周期方式排列組合而成，具有強(qiáng)大的電磁調(diào)控能力[7]，如負(fù)折射率、反向傳播和電磁隱身等. 超材料吸波體可以在特定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電磁波的完美吸收，且可以克服傳統(tǒng)四分之一波長(zhǎng)器件的厚度限制[8-11]. 進(jìn)而，研究人員利用金屬諧振特性設(shè)計(jì)了高吸收超材料吸波體[12-15]，但吸收帶寬較窄. 隨后，研究人員利用多層堆疊[16-19]、加載集總元件[20-23]等方法拓展吸收帶寬，但是這些設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高. 電阻膜因具有較好的寬帶電磁損耗特性，受到研究人員們的青睞[24-28]. 2017 年，Cui 等人利用風(fēng)車結(jié)構(gòu)化電阻膜設(shè)計(jì)了一款超材料吸波體，在8.3～17.4 GHz 可以實(shí)現(xiàn)90% 的吸收率[17]. 同年，Sheokand 等人基于氧化銦錫電阻膜設(shè)計(jì)了一款工作于6.06～14.66 GHz 的超材料吸波體[26]. 2021 年，Chen等人基于多層電阻膜疊加方法設(shè)計(jì)了一種極化不敏感吸波體，在4.73～39.04 GHz 頻帶內(nèi)的吸收率均高于90%[28]. 上述超材料吸波體成功實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收特性，但吸波體帶寬需要進(jìn)一步拓展以提高不同頻帶的兼容性.

本文基于多層電阻膜-介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款超寬帶超材料吸波體. 該超材料吸波體由四層電阻膜-介質(zhì)和金屬接地板組成. 其中，電阻膜阻值由上向下逐漸減小，多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地向S 波段和U 波段拓展了吸收帶寬. 此設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)在3.16～51.6 GHz (相對(duì)帶寬176.9%)頻段內(nèi)吸收率都高于88%，實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收；2)在工作帶寬內(nèi)，對(duì)于TE 和TM 波入射表現(xiàn)出極化不敏感特性；3)電磁波入射角度在0°～45°內(nèi)變化，吸波體的吸收率均高于80%.

1 超材料單元設(shè)計(jì)與仿真

超材料吸波體單元采用多層結(jié)構(gòu)，周期p=14 mm，如圖1(a) 所示. 超材料單元由電阻膜、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalat, PET)(ε=3.0，tan δ=0.06l)、聚甲基丙烯酰亞胺泡沫(polymethacrylimide，PMI)(ε=1.05，tan δ=0.001)和金屬接地板構(gòu)成. 其中，PMI 自上而下的厚度分別為t1=2 mm、t2=2 mm、t3=3 mm、t4=2 mm;方形電阻膜的寬度由上而下分別為w1=12.5 mm、w2=11.9 mm、w3=13 mm、w4=14 mm. 超材料吸波體的側(cè)視圖如圖1(b)所示，多層方形電阻膜的方阻值由上而下遞減，分別為R1=450 Ω/□、R2=345 Ω/□、R3=337 Ω/□、R4=250 Ω/□.電阻膜放置于襯底PET 上，PET 厚度tp=0.175 mm，金屬接地板采用厚度為0.018 mm 的銅，電阻膜厚度可以忽略不計(jì). 利用商業(yè)軟件CST 對(duì)設(shè)計(jì)的超材料單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬, 電磁波沿著z軸負(fù)方向入射，在x、y方向均采用unit cell 邊界條件. 圖2 呈現(xiàn)了超材料吸波體的吸收譜線和歸一化阻抗，明顯看出，在3.16～51.6 GHz 頻段內(nèi)，超材料吸波體對(duì)于垂直入射下的電磁波吸收效率都高于88%. 設(shè)計(jì)的超材料吸波體實(shí)現(xiàn)了中心頻率為27.38 GHz、相對(duì)帶寬為176.9%的吸收性能，覆蓋了C、X、Ku、K 和Ka 波段，部分覆蓋S 和U 波段. 超材料吸波體和自由空間阻抗必須完美匹配才能達(dá)到完美吸收，通過計(jì)算吸波體的歸一化阻抗，進(jìn)一步解釋了其寬頻帶吸收性能：從圖2 可以看出，歸一化阻抗的實(shí)部和虛部分別接近于1 和0，即在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超材料吸波體與自由空間的阻抗匹配，從而減少了接觸界面的后向反射.

圖1 吸波體單元多層結(jié)構(gòu)(a)和側(cè)視圖(b)Fig. 1 Absorber unit cell multilayer structure (a)and side view (b)

圖2 垂直入射條件下吸收率和歸一化阻抗曲線Fig. 2 Absorptivity and normalized impedance curves under vertical incident conditions

對(duì)于電磁波的入射角和極化角是否具有穩(wěn)定性也是驗(yàn)證吸波體性能的重要指標(biāo). 圖3 給出了TE 和TM 極化電磁波在不同斜入射角下吸收體的吸收率曲線，表現(xiàn)出對(duì)入射角度具有魯棒性. 如圖3(a) 所示，TE 極化波入射條件下，入射角度從0°增加至45°時(shí)，吸收帶寬變化較小，且吸收率均在80%以上.如圖3(b)所示，TM 極化波入射條件下，入射角度從0°增加至30°時(shí)，吸收帶寬變化較小，且吸收率在3.98～51.3 GHz 內(nèi)均高于88%；入射角增加至45°時(shí)，吸收帶寬明顯向右移動(dòng)，但吸收率依然保持在88%以上. 結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的超材料吸波體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，且對(duì)于電磁波極化狀態(tài)表現(xiàn)出不敏感特性.

圖3 TE 波(a)和TM 波(b)入射下的吸收率仿真曲線Fig. 3 Absorptivity simulation atlas under TE (a)and TM incident wave (b)

2 理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文基于傳輸線理論等效電路模型，分析吸波體的性能. 如圖4(a)所示，給出了超材料吸波體所對(duì)應(yīng)的等效電路模型. 其中：Z0為自由空間的阻抗；第一、二和三層電阻膜為容性表面，可以等效為RC 串聯(lián)電路，其等效阻抗分別為Z1、Z2和Z3；第四層電阻膜尺寸與單元結(jié)構(gòu)周期相等可以等效為電阻，其等效阻抗為Z4；介質(zhì)層和金屬接地板可以等效為傳輸線和小電阻R5；Z5、Z6、Z7和Z8是四層介質(zhì)的波阻抗；Zin是從左位置向右看去的等效阻抗. 利用ADS 軟件建立等效的電路模型，數(shù)值擬合CST 仿真結(jié)果. 等效模型中的集總元件參數(shù)如下：R1=58.13 kΩ，C1=2.43 nF，R2=66.67 kΩ，C2=789.89 pF，R3=555.5 Ω，C3=1.35 nF，R4=4.9 kΩ，R5=5 Ω，C4=1.68 nF，L1=0.03 nH，C5=0.76 pF，L2=0.655 nH，C6=79.42 pF，L3=27.55 nH；C7=69.01 pF，L4=3.39 nH. 圖4(b)將電路模型與CST 仿真的吸收率進(jìn)行了比較，可以看出計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果一致.

圖4 吸波體等效電路模型(a)及ADS 與CST 仿真結(jié)果對(duì)比(b)Fig. 4 Absorber equivalent circuit model (a) and comparison of simulation results between ADS and CST (b)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證其吸波性能，加工、制作并測(cè)試超材料吸波體. 采用絲網(wǎng)印刷工藝，改變印刷厚度可以得到不同方阻值的電阻膜，制備了四種不同尺寸的方形電阻膜. 然后，使用光學(xué)膠粘合介質(zhì)和電阻膜，膠層厚度非常薄，對(duì)超材料吸波體的性能影響可以忽略不計(jì)，金屬接地層為金屬銅. 加工的樣品由22×22 個(gè)單元構(gòu)成，尺寸為308 mm×308 mm，如圖5(a)所示. 采用自由空間法對(duì)加工的超材料吸波體樣品進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5(b) 所示. 一對(duì)1～18 GHz 寬帶喇叭天線，分別作為發(fā)射源和接收源，用兩根低損耗線纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，以記錄測(cè)試數(shù)據(jù).

圖5 吸波體樣品(a)和實(shí)驗(yàn)裝置(b)Fig. 5 Absorber sample (a) and experimental device (b)

圖6 給出了2～18 GHz 吸波體的吸收率測(cè)試曲線. 如圖6(a)所示，在3.15～18 GHz 對(duì)于不同入射角度的 TE 波，吸波體的吸收效果變化明顯. 入射角度在5°～30°范圍內(nèi)，其吸收率高于85%；角度增加至45°，吸收率下降至78%左右. 如圖6(b)所示，TM 波入射情況下，入射角度從5°增加到15°，在3.5～18 GHz吸收率均大于80%；隨著角度變大，吸收帶寬明顯向右移動(dòng)，但在4.25～18 GHz 吸收率均大于80%. 測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異，這可能是由樣品的電阻膜方阻值分布不均勻和實(shí)驗(yàn)環(huán)境導(dǎo)致.

圖6 TE 波(a)和TM 波(b)入射下的吸收率測(cè)試曲線Fig. 6 Absorptivity measured results under TE (a)and TM Incident (b)

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種完全覆蓋C～Ka 波段、部分覆蓋S 和U 波段的極化不敏感超材料吸波體. 基于電阻膜的電磁損耗特性，將電阻膜/介質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)組合在一起，達(dá)到阻抗匹配以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收. 仿真結(jié)果表明，在3.16～51.6 GHz 頻段內(nèi)，吸波體的吸收率都高于88%，相對(duì)帶寬達(dá)到176.9%，與同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比具有更佳的寬帶特性. 對(duì)于TE 和TM 波，入射角度從0°到45°變化，吸波體始終保持良好的吸收性能.最后，制作、加工并測(cè)試了超材料吸波體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致. 該設(shè)計(jì)在隱身領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并對(duì)多層電阻膜超材料吸波體設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值. 但該設(shè)計(jì)對(duì)于L～S 頻段的電磁波吸收存在不足，可以結(jié)合磁性吸波材料進(jìn)一步研究解決方案.