基于有源超材料的可調(diào)超薄雷達吸波體研究

黃金國，郭 宇，趙治亞，李 雪，邢明軍，謝鎮(zhèn)坤

(1深圳光啟高等理工研究院，廣東 深圳 518000；2深圳光啟尖端技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518000；3中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽 110035；4超材料電磁調(diào)制技術(shù)國家重點實驗室，廣東 深圳 518000)

隨著現(xiàn)代微波電子技術(shù)與現(xiàn)代雷達技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁波輻射對環(huán)境的影響日益增大。在繼噪音污染、空氣污染、水污染之后，電磁波污染已被世界衛(wèi)生組織列為威脅人類生存的第四大公害[1]。為了防范電磁污染的危害，利用吸波材料吸收電磁波已成為防治電磁污染最為有效的途徑[2]。同時，在軍事領(lǐng)域，隨著探測技術(shù)的發(fā)展，利用吸波材料實現(xiàn)目標(biāo)隱身對提高武器系統(tǒng)的生存能力有著重要的意義[3-4]。民用電磁防護愈發(fā)引起重視，同時軍用雷達探測技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，兩方面都對吸波材料提出了越來越高的要求。目前，吸波材料主要朝著超薄、低頻、可調(diào)、極化不敏感等方向發(fā)展。超材料是一種特種復(fù)合材料，通過對材料關(guān)鍵物理尺寸進行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其獲得常規(guī)材料不具備的超常物理性質(zhì)[5]。利用超材料技術(shù)實現(xiàn)高效電磁吸波，為吸波材料的研究提供了一個全新的思路。通過設(shè)計超材料的基礎(chǔ)材料組成、周期單元形狀和排列方式，能夠根據(jù)需要獲得相應(yīng)的諧振特性[6-7]。超材料吸波體通過阻抗匹配和衰減特性實現(xiàn)對雷達波的吸收[8-11]。與外界環(huán)境的阻抗匹配可以使入射電磁波在超材料吸波體表面的反射最小，從而盡可能多地進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部；通過高效衰減特性使進入超材料吸波體中的電磁波快速衰減而轉(zhuǎn)化為熱能。

目前，獲得應(yīng)用的超材料吸波體均為無源的，設(shè)計、制備一旦完成，其頻率響應(yīng)和吸收特性就被固定，也就是說，此類吸波體不具備可調(diào)諧性。由于有Rozanov效應(yīng)(帶寬與厚度比極限)限制[12]，無源吸波體的性能難以完全滿足未來的應(yīng)用需求。近年來智能超材料引起了眾多研究者的興趣[13]，主動/有源智能超材料吸收體可以突破Rozanov限制，有望進一步拓寬超材料吸收體的應(yīng)用范圍。實現(xiàn)主動/有源吸波的方法有多種，歸納起來主要有以下4類：(1)引入PIN二極管[14-16];(2)引入變?nèi)荻O管[17];(3)機械調(diào)節(jié)[18];(4)利用材料本身電磁參數(shù)可調(diào)的特性[19-21]。例如，Tennant等[14]選擇PIN二極管作為可控元件，設(shè)計了領(lǐng)結(jié)型有源頻率選擇表面(frequency selective surface，F(xiàn)SS)雷達吸收體。經(jīng)測試，該有源FSS吸波體對9～13GHz內(nèi)的垂直極化平面波實現(xiàn)了吸波特性的可調(diào)，該成果主要實現(xiàn)了反射率幅值的電流控制，而諧振點或吸收頻段的可控遷移效果并不明顯。Xu等[17]利用半圓形和三角形組合式微結(jié)構(gòu)在微波段產(chǎn)生1個吸收峰，通過在半圓形和三角形之間嵌入可變電容實現(xiàn)吸收峰位置的電調(diào)控。但是該設(shè)計方案的缺陷是，微波吸收只針對1個極化有效。王連勝等[19]在超材料吸波體中加入電流變液，通過改變電流變液外加電場的強度實現(xiàn)了超材料吸波體吸收頻率的自由調(diào)控。隨著電流變液外加電場強度的增加，吸波體的吸收頻率逐漸向低頻移動。但是這種結(jié)構(gòu)對封裝提出了更高的要求，難以獲得實際應(yīng)用。

本工作在超材料結(jié)構(gòu)中引入電阻和有源變?nèi)荻O管，通過調(diào)控外加電壓來調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容值，進而調(diào)節(jié)超材料吸波體的吸收頻帶。介紹了微結(jié)構(gòu)型式、微結(jié)構(gòu)之間的連線方式以及電阻和變?nèi)荻O管的加載方式，研究了電阻值、電容值以及極化對吸波效果的影響，并對吸波的機理進行了分析。

1 結(jié)構(gòu)

圖1為本工作設(shè)計的可調(diào)超材料吸波體截面示意圖。超材料吸波體共分為4層，自上而下依次為FR4層、微結(jié)構(gòu)陣列層、低密介質(zhì)層和金屬背板層。FR4層的厚度為d1，其介電常數(shù)為4.3×(1+i0.025)。微結(jié)構(gòu)陣列層的厚度為d2，采用金屬Cu構(gòu)建微結(jié)構(gòu)。低密介質(zhì)層的厚度為d3，選擇蜂窩作為低密介質(zhì)，其介電常數(shù)為1.07×(1+i0.0024)。金屬背板層的厚度為d4，材料選用金屬Cu。

圖1 可調(diào)超材料吸波體的截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cross-section for the tunable metamaterial RAM

為了實現(xiàn)吸波特性的主動可調(diào)，在微結(jié)構(gòu)陣列中引入電阻和變?nèi)荻O管，電阻和變?nèi)荻O管并聯(lián)排列。通過調(diào)控外加電壓來調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容值，從而改變吸波結(jié)構(gòu)的諧振頻率，實現(xiàn)吸收頻段的主動調(diào)節(jié)。圖2(a)為超材料吸波體中的微結(jié)構(gòu)陣列及電壓加載示意圖，圖2(b)為其中的1個微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。在八邊形微結(jié)構(gòu)四角位置加載電阻和變?nèi)荻O管。相鄰對角微結(jié)構(gòu)電壓極性相反，奇數(shù)層的八邊形微結(jié)構(gòu)用金屬線橫向連接，連接電壓正極；偶數(shù)層的八邊形微結(jié)構(gòu)用金屬線縱向連接，連接電壓負極。金屬連線的寬度為w，材質(zhì)為Cu。八邊形微結(jié)構(gòu)和連線的厚度均為d2。電阻的阻值為R，變?nèi)荻O管的電容值為C。周期性微結(jié)構(gòu)單元的周期為a，八邊形的相對邊的間距為p，八邊形橫向和縱向邊的長度為b，相鄰八邊形在對角位置處的間距為g。圖2(c)為橫向金屬連線和縱向金屬連線的局部放大圖?？梢钥吹?，為了避免兩個方向的連線相交，在空間上做了錯位處理。為了看清楚超材料吸波體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在圖2中隱藏了最表層的FR4層。

為了便于研究，本工作設(shè)定1組基礎(chǔ)參數(shù)，如表1所示，后面的研究結(jié)果均在此組參數(shù)的基礎(chǔ)上改變特定參數(shù)獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同阻值對應(yīng)的吸波效果

相鄰的四邊形微結(jié)構(gòu)之間加載的電阻和電容都對超材料結(jié)構(gòu)的吸波性能有影響。電阻R分別為900，1100，1300，1500Ω和1700Ω時的反射率曲線結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹剑煌淖柚迪露荚?.99GHz附近出現(xiàn)了1個吸收峰。在R=1300Ω時，吸收峰(反射率極小值)最深，即吸波能力最強。此外，電阻R從900Ω增加到1700Ω時，吸收峰的位置幾乎沒有偏移，其中心頻點始終在3.99GHz附近。因此，電阻值的改變主要影響吸收峰的幅值，而不影響吸收峰的位置。

圖2 可調(diào)超材料吸波體的微結(jié)構(gòu)陣列及電壓加載示意圖(a)，1個微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖(b)及橫向和縱向金屬連線的局部放大圖(c)Fig.2 Schematic diagrams of the microstructure array and voltage loading in the tunable metamaterial RAM(a),a periodic structural unit of the microstructure array(b),local enlargement of the transverse and longitudinal metal connections(c)

Thickness/mmd1d2d3d4a/mmp/mmb/mmg/mmw/mmR/ΩC/pF0.40.0510.110630.70.513001

圖3 不同電阻對應(yīng)的反射率曲線Fig.3 Reflectance curves corresponding to different resistances

為了確定吸收能力最強的時候所對應(yīng)的電阻值，以100Ω為一個阻值間隔，計算600～2500Ω不同阻值對應(yīng)的反射率最小值，結(jié)果如圖4所示。可知，1300Ω對應(yīng)最小的反射率極值。

圖4 不同電阻對應(yīng)的反射率最小值Fig.4 Reflectance minimum value corresponding to different resistances

為了明確超材料結(jié)構(gòu)的吸波機理，計算了3.99GHz吸收峰極值處(R=1300Ω)超材料結(jié)構(gòu)中的能量分布，結(jié)果如圖5所示。為了使能量分布顯示得更加明顯，對圖中的能量密度做了取對數(shù)處理?？梢钥吹?，能量主要集中在四邊形微結(jié)構(gòu)的4個角落處，即加載的電阻和變?nèi)荻O管附近。很明顯，是加載的電阻和變?nèi)荻O管引起了電磁波的能量聚集和損耗。電阻和變?nèi)荻O管構(gòu)成的主動可控超材料能引起入射電磁波與反射電磁波的干涉，形成一個反射屏，同時入射的電磁波極化對吸波材料的作用相當(dāng)于施加電壓激勵，引起諧振電流；在損耗介質(zhì)中構(gòu)成耗散電流，從而實現(xiàn)對電磁場能量的損耗和電磁波的高效吸收。

圖5 微結(jié)構(gòu)單元中的能量分布圖Fig.5 Energy distribution image in the microstructure unit

2.2 不同電容對應(yīng)的吸波效果

變?nèi)荻O管的典型特性是，通過改變外加電壓可以改變變?nèi)荻O管的電容值。不同電容下對應(yīng)的超材料吸收峰如圖6所示?？梢钥吹剑娙輳?6pF降低到1pF，對應(yīng)的吸收峰從1.07GHz增大到3.99GHz，吸收峰的位置變化了3.7倍。

圖6 不同電容對應(yīng)的反射率曲線Fig.6 Reflectance curves corresponding to different capacitances

值得一提的是，本工作設(shè)計的超材料吸波結(jié)構(gòu)，雖然在一個特定的電容下是窄帶吸收的，但是通過在結(jié)構(gòu)中加載變?nèi)荻O管實現(xiàn)了吸收峰的主動可調(diào)，吸收峰可以橫跨很寬的頻帶。在雷達隱身應(yīng)用中，由于不清楚對方的雷達工作頻率，所以往往采用具有寬頻雷達吸波特性的吸波材料。而對于本工作設(shè)計的超材料吸波結(jié)構(gòu)，由于吸收峰可以在3.7倍頻帶內(nèi)實現(xiàn)可調(diào)吸收，結(jié)合能夠探測對方的雷達工作頻率的感知元件，實現(xiàn)的效果相當(dāng)于寬帶吸收。

傳統(tǒng)的被動超材料吸波結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)寬頻吸波，往往采用多層設(shè)計，這會增大吸波結(jié)構(gòu)的厚度，而本設(shè)計只需要1層就可以實現(xiàn)等效的寬頻吸收特性。本工作設(shè)計的主動可調(diào)超材料吸波體的總厚度為1.55mm，1.07GHz吸收峰對應(yīng)的波長為280mm，厚度僅為波長的1/181，遠遠小于傳統(tǒng)的1/4波長吸波結(jié)構(gòu)[22]，表現(xiàn)出了極佳的超薄特性。利用窄帶可調(diào)吸波設(shè)計來等效于寬帶吸波設(shè)計，這具有重要的意義，在實際使用中可以極大地降低材料的消耗和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量載荷，尤其是在某些受制于設(shè)計空間的場合。

2.3 不同極化對應(yīng)的吸波效果

圖7為超薄主動可調(diào)超材料吸波體TE和TM極化對應(yīng)的吸波效果，變?nèi)荻O管的電容為1pF。可以看到，極化下的反射率曲線幾乎重合，說明超薄主動可調(diào)超材料吸波體是極化不敏感的。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，本工作設(shè)計的超薄主動可調(diào)超材料吸波體是一種中心對稱結(jié)構(gòu)，因此對于TE和TM極化的電磁波會表現(xiàn)出相同的吸波效果。

圖7 超材料吸波體TE和TM極化對應(yīng)的反射曲線Fig.7 Reflectance curves of the metamaterial RAM at TE and TM polarization

3 結(jié)論

(1)電阻值主要影響吸收峰的幅值，不影響吸收峰的位置。

(2)可以通過改變外加電壓的方式改變變?nèi)荻O管的電容值，進而調(diào)節(jié)超材料吸收峰的頻率位置。電容從16pF降低到1pF，對應(yīng)的吸收峰從1.07GHz增大到3.99GHz，吸收峰的位置變化了3.7倍，可以實現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的主動可調(diào)吸波。本工作設(shè)計的寬頻帶內(nèi)可調(diào)超材料吸波體，結(jié)合能夠探測對方的雷達工作頻率的感知元件，實現(xiàn)的效果等效于寬帶吸收。

(3)超材料吸波體的厚度僅為波長的1/181，遠遠小于傳統(tǒng)的1/4波長吸波結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出了極佳的超薄特性，在實際使用中可以極大地降低材料的消耗和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量載荷。

(4)超材料吸波體的吸波特性對入射波的極化方向不敏感。