基于超材料的多波段吸收器設(shè)計(jì)

葉晟寅 劉菲 劉明鑫

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于超材料的微波多波段吸收器。吸收器主要由多金屬閉合環(huán)周期性陣列構(gòu)成。利用電磁仿真軟件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與分析，吸收峰的個(gè)數(shù)主要取決于閉合環(huán)的個(gè)數(shù)；吸收峰的頻率則主要取決于閉合環(huán)的尺寸。所設(shè)計(jì)的多波段吸收器可應(yīng)用于測(cè)輻射熱儀、頻譜成像等領(lǐng)域，并由于其波段個(gè)數(shù)與頻率的可控性大大提高了應(yīng)用的靈活性。

關(guān)鍵詞：吸收器；超材料；多波段

中圖分類號(hào)：TN817 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）11-0043-02

1 引言

微波吸收器可吸收一定頻率的電磁波，達(dá)到“隱身”的效果，被廣泛應(yīng)用于頻譜成像、測(cè)輻射熱儀等領(lǐng)域，從而引起廣泛關(guān)注[1]。超材料作為一種基于自然物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有零損耗的優(yōu)點(diǎn)，因而成為制作微波吸收器的首選材料。多波段微波吸收器可以同時(shí)吸收多個(gè)頻率的電磁波，從而具有較大的應(yīng)用靈活性。近年來，對(duì)于基于超材料的多波段微波吸收器被廣泛研究。2010年，程用志等人提出了圓環(huán)結(jié)構(gòu)電磁吸收材料，對(duì)于垂直入射的激勵(lì)波能夠產(chǎn)生極高的吸收率[2]。2012年，沈曉鵬等人在研究基于超材料的雙波段微波吸收器時(shí)，所設(shè)計(jì)的雙波段吸收器的吸收率可達(dá)到99.60%和95.83%[1]。隨后在2013年，劉亞紅等人設(shè)計(jì)了多頻和寬頻超材料吸收器，這種吸收器可以通過調(diào)節(jié)圓片與圓環(huán)的尺寸、結(jié)構(gòu)、以及材料來控制吸收器的多頻和寬頻吸收[3]。而后，馬巖冰等人提出了基于科赫分形的新型超材料雙頻吸收器，這款吸收器比傳統(tǒng)的正方形吸收器尺寸縮小了17.6%，使得效率與靈活性大大提高[4]?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種基于金屬閉合環(huán)超材料的微波多波段吸收器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，波段可控，制備方便，使用靈活。

2 吸收器設(shè)計(jì)

吸收器主要由多金屬閉合環(huán)周期性陣列構(gòu)成。如下圖1所示，三金屬閉合環(huán)結(jié)構(gòu)單元如下圖1所示。吸收器有上中下三層組成，最下層為金屬銅背板，電導(dǎo)率約為δ=5.8 *107s/m，高度為T2=0.2mm，長(zhǎng)寬均為L(zhǎng)4=20mm；中間層為FR4介質(zhì)板，介電常數(shù)為ε=4.4，損耗正切為tanδ=0.02，高度T1=1.0mm，長(zhǎng)寬均為L(zhǎng)4=20mm；上層是3個(gè)金屬銅閉合環(huán)結(jié)構(gòu)，高度為T2=0.2mm，金屬環(huán)的寬度分別為W1=W2 =W3=1.0mm，長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=9.5mm，L2=7.0mm，L3=5.0mm。電磁波信號(hào)垂直于閉合環(huán)平面由上向下入射。

3 仿真及理論分析

采用電磁仿真軟件進(jìn)行仿真分析[5]，圖2給出了吸收器的吸收率曲線?？梢钥闯觯?GHz-12GHz電磁波段內(nèi)，三環(huán)閉合回路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)三波段吸收峰：分別在4.9GHz出現(xiàn)第一個(gè)峰，7.3GHz出現(xiàn)第二個(gè)峰，10.1GHz出現(xiàn)第三個(gè)峰，其吸收率均可達(dá)到40%以上。通過分析吸收器上下兩層金屬銅的表面電流分布，可以得到：一方面入射電磁波激發(fā)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)上層三個(gè)銅閉合環(huán)的電偶極子響應(yīng)；另一方面，在上層閉合環(huán)與下層背板上產(chǎn)生了反向電流引起磁諧振。電響應(yīng)與磁響應(yīng)的共同作用使得吸收器在多個(gè)波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配，從而得到三波段吸收峰。

然后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證各個(gè)閉合環(huán)與吸收峰的相互關(guān)系，我們進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)與計(jì)算：依次刪除環(huán)1、環(huán)2、環(huán)3，并計(jì)算其相應(yīng)的吸收譜，如圖3所示。當(dāng)刪除其中任一個(gè)閉合環(huán)時(shí)，都只能夠得到雙波段吸收峰。并且，環(huán)1對(duì)應(yīng)峰1，其頻率約為5GHz；環(huán)2對(duì)應(yīng)峰2，其頻率約為7GHz右；環(huán)3對(duì)應(yīng)峰3，其頻率約為10GHz。每個(gè)吸收峰頻率的細(xì)微變化是由于各個(gè)閉合環(huán)之間具有較小的相互作用，即各個(gè)閉合環(huán)的電偶極子模式之間存在微小的模式雜化。雜化程度取決于閉合環(huán)之間的距離，距離越小，模式雜化越明顯。但總而言之，可以推斷得到：吸收峰的個(gè)數(shù)是可控的，其取決于金屬閉合環(huán)的個(gè)數(shù)；且閉合環(huán)長(zhǎng)度越小，吸收峰頻率越高。

最后，進(jìn)一步研究了閉合環(huán)寬度對(duì)吸收峰的變化規(guī)律的影響。我們固定最外環(huán)（1環(huán)）的寬度W1、中環(huán)（2環(huán)）的寬度W2、以及內(nèi)環(huán)（3環(huán)）的長(zhǎng)度L3，僅僅依次改變內(nèi)環(huán)（3環(huán)）的內(nèi)徑，使得內(nèi)環(huán)（3環(huán)）的寬度W3分別為0mm，0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，其吸收譜如圖4所示。分析對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果可知：吸收器中吸收峰的波段可由閉合環(huán)的尺寸大小來控制調(diào)節(jié)，即隨著閉合環(huán)寬度的增加，吸收峰的頻率依次增大，且吸收率依次增加。并且，5GHz與7GHz處吸收峰無明顯變化，這更進(jìn)一步說明了這兩個(gè)波段分別取決于最外環(huán)（1環(huán)）和中環(huán)（2環(huán)）的尺寸。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于金屬閉合環(huán)超材料的微波多波段吸收器。由計(jì)算結(jié)果可知吸收峰的個(gè)數(shù)可由閉合環(huán)的個(gè)數(shù)控制，閉合環(huán)的個(gè)數(shù)越多，吸收峰的個(gè)數(shù)越多；吸收峰的頻率和大小可由閉合環(huán)的寬度決定，環(huán)的寬度越大，吸收峰的頻率越高，吸收率越大。所設(shè)計(jì)的多波段吸收器可應(yīng)用于測(cè)輻射熱儀、頻譜成像等領(lǐng)域，并由于其波段個(gè)數(shù)與頻率的可控性大大提高了應(yīng)用的靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1]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，（05）：467-471.

[2]程用志，肖婷，楊河林，肖柏勛.圓環(huán)結(jié)構(gòu)人工電磁吸波材料的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)，2010，（08）：5715-5719.

[3]劉亞紅，方石磊，顧帥，趙曉鵬.多頻與寬頻超材料吸收器[J].物理學(xué)報(bào)，2013，（13）：220-227.

[4]馬巖冰，張懷武，李元?jiǎng)?基于科赫分形的新型超材料雙頻吸收器[J].物理學(xué)報(bào)，2014， （11）：322-328.

[5]李明洋，劉敏. HFSS天線設(shè)計(jì)（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.