基于超材料的多頻帶吸波器的設(shè)計(jì)與研究

李哲，高小優(yōu)，王婷

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子通信技術(shù)的發(fā)展，保密通信、電子抗干擾技術(shù)已經(jīng)得到重視。一些保密的電子設(shè)備經(jīng)常輻射出攜帶重要信息的電磁波，一旦這些信息被截取和重現(xiàn)，就有可能造成科技、國(guó)防等方面的情報(bào)泄露，造成嚴(yán)重的信息安全問題，因此對(duì)電磁波吸波技術(shù)，電磁屏蔽技術(shù)的研究就顯得非要重要。傳統(tǒng)的吸波材料如石墨、鐵氧體、金屬粉末等在使用上有很多局限性，例如吸收頻帶窄、密度大、厚度厚、溫度穩(wěn)定性差，加工成本高等缺點(diǎn)[1-3]。人工電磁超材料是理想的功能材料，一般指具有自然界材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工材料[4-5]。憑借其易加工，易集成等優(yōu)異性能，在天線、傳感、成像、極化調(diào)制、電磁兼容、能量收集裝置、雷達(dá)隱身技術(shù)等方面得到了廣泛應(yīng)用[6]。

本文設(shè)計(jì)的超材料吸波器本質(zhì)上是一種結(jié)構(gòu)吸波體，從下至上依次由金屬銅板、介質(zhì)基板FR-4，以及表層的金屬諧振單元組成。當(dāng)特定頻段的電磁波入射到吸波器表面時(shí)就會(huì)在諧振單元間產(chǎn)生復(fù)雜的電磁響應(yīng)，從而把電磁能轉(zhuǎn)換成熱能由此達(dá)到吸波的目的。本文設(shè)計(jì)的超材料吸波器具有重量輕，厚度薄，容易加工，成本低，高吸波率的特點(diǎn)；此外研究表明該吸波器具有極化不敏感的特點(diǎn)以及0°至60°范圍內(nèi)寬入射角的特點(diǎn)；吸波器有五個(gè)諧振峰，其中吸波率在90%以上的吸收峰有三個(gè)，另外兩個(gè)吸收峰的吸波率分別在75%以及和50%以上，由此實(shí)現(xiàn)了寬頻帶吸波。最后通過加工、測(cè)試驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的正確性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

1.1 結(jié)構(gòu)建模

本文所設(shè)計(jì)的吸波器單元結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由下至上由底層金屬銅板、介質(zhì)基板FR-4、以及銅材料的金屬諧振單元組成。使用的銅材料厚度皆為0.035mm，電導(dǎo)率為5.8×107S/m。介質(zhì)基板FR-4的厚度t=1mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.3，損耗角正切tanδ=0.025。其他尺寸為：p=8mm，g=0.25mm，a1=6.5mm，a2=7.8mm，w1=0.3mm，w2=0.3mm，w3=0.3mm，w4=0.4，c=4mm，m=5mm，b=0.2mm。整個(gè)吸波器結(jié)構(gòu)單元可以看成是吸波結(jié)構(gòu)A和吸波結(jié)構(gòu)B組合而成，分別如圖1(b)，(c)所示。

(a)超材料吸波器單元

(b)吸波結(jié)構(gòu)A

1.2 吸波率

吸波率A(ω)是吸波器吸波性能的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為A(ω)=1-R(ω)-T(ω)。其中，反射率R(ω)=|S11|2，透射率T(ω)=|S21|2。由于超材料底部為金屬銅板，故穿過介質(zhì)基板到達(dá)金屬板的電磁波發(fā)生全反射，即T(ω)=0。于是吸波率公式可以簡(jiǎn)化為A(ω)=1-R(ω)。圖2(a)黑色曲線是吸波器的吸波率曲線，紅色虛線是吸波器的S11曲線。本文所設(shè)計(jì)的吸波器在4.18-4.252GHz、8.068-8.188GHz、11.736-11.9GHz的頻帶范圍內(nèi)吸波率均達(dá)到90%以上，并且分別在4.216GHz、8.128GHz、11.816GHz三個(gè)諧振點(diǎn)處達(dá)到峰值，吸波率分別為98.37%、95.81%和99.31%；且相對(duì)應(yīng)的頻率帶寬分別為72MHz、120MHz和164MHz。另外，在18.672-18.84GHz頻段內(nèi)吸波器吸波率均在75%以上，在頻點(diǎn)18.756GHz處吸波率達(dá)到峰值80.47%，頻帶寬度為168MHz。而在頻段13.532-13.728GHz內(nèi)吸波器吸波率均在50%以上，且在13.632GHz處達(dá)到峰值60.99%，相應(yīng)的頻帶寬度為196MHz。

對(duì)所設(shè)計(jì)的吸波器的組合諧振單元做進(jìn)一步的研究，如圖2(b)所示，可以得到結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B和吸波器的吸波曲線對(duì)比圖，可以看到吸波器的吸波曲線與結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B的吸波曲線并不重合，這是由于結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B之間電磁場(chǎng)的耦合造成的。結(jié)合吸波器的吸波率曲線分析不難發(fā)現(xiàn)，諧振峰1、3、4與結(jié)構(gòu)A有關(guān)，而諧振峰2和諧振峰5與結(jié)構(gòu)B有關(guān)。當(dāng)把結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B組合在一起時(shí)觀察吸波曲線可以發(fā)現(xiàn)吸波器的吸波曲線相比于結(jié)構(gòu)B的諧振峰2發(fā)生了紅移，而相對(duì)于結(jié)構(gòu)A的諧振峰3則發(fā)生了藍(lán)移。同時(shí)，諧振峰4比起結(jié)構(gòu)A吸波率得到了提高，吸波帶寬拓寬；諧振峰5相比結(jié)構(gòu)B產(chǎn)生的諧振雙峰變成了諧振單峰，吸波率有所降低，但在峰值處吸波率仍有80.47%。

(a)吸波器的吸波率與S11曲線

(b)不同諧振結(jié)構(gòu)的吸波曲線

1.3 吸波器能量損耗分析

電磁波被吸波器吸收后將會(huì)在表面諧振單元之間產(chǎn)生復(fù)雜的電磁響應(yīng)，最后以熱能的形式實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。為了進(jìn)一步探索吸波器的電磁波損耗機(jī)理，分別觀察吸波器五個(gè)諧振頻率處的電場(chǎng)分布。設(shè)f1=4.216GHz，f2=8.128GHz，f3=11.816GHz，f4=13.632GHz，f5=18.756GHz，從圖3(a)(c)(d)可以看到，在f1、f3、f4諧振頻率處的電場(chǎng)分布主要集中在吸波結(jié)構(gòu)A的開口諧振環(huán)處，從圖3(b)(e)可以看到，在f2、f5諧振頻率處的電場(chǎng)分布主要集中在吸波結(jié)構(gòu)B上，這也從能量轉(zhuǎn)換的角度更近一步證實(shí)了上述吸波曲線產(chǎn)生的諧振峰與吸波結(jié)構(gòu)A、B的對(duì)應(yīng)關(guān)系。另外觀察圖3的五個(gè)電場(chǎng)分布圖不難發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)分布并不是完全集中在單個(gè)吸波結(jié)構(gòu)A或者B中的，而是兩個(gè)結(jié)構(gòu)耦合的結(jié)果。對(duì)于結(jié)構(gòu)A主導(dǎo)的諧振頻率f1、f3、f4，圖3(a)(c)中，分布在結(jié)構(gòu)B的電場(chǎng)較弱，但是在(d)中分布在結(jié)構(gòu)B中的電場(chǎng)明顯較(a)(c)強(qiáng)，所以在圖2(b)中吸波器的吸波曲線與結(jié)構(gòu)A的吸波曲線相比諧振峰3產(chǎn)生頻移，而在諧振峰4處吸波率和吸波帶寬都得到顯著改善。對(duì)于結(jié)構(gòu)B主導(dǎo)的諧振頻率f2、f5，在圖3(e)中分布在結(jié)構(gòu)A的電場(chǎng)強(qiáng)度比圖3(b)的情況強(qiáng)。于是呈現(xiàn)出圖2(b)中諧振峰2和諧振峰5變化的結(jié)果。這都是由于兩個(gè)吸波諧振結(jié)構(gòu)A和B的電磁場(chǎng)耦合造成的。

(a)f1=4.216GHz

(d)f4=13.632GHz

1.4 極化敏感特性研究

為探索吸波器對(duì)電磁波的極化是否敏感，圖4給出了在電磁波垂直入射到吸波器表面時(shí)極化角φ(φ為電場(chǎng)E與+x軸的夾角)從0°到90°變化的吸波率曲線?？梢钥闯?，φ從0°到90°變化的所有曲線完全重合，從而說明吸波器具有極化不敏感的特性。這是由于我們?cè)O(shè)計(jì)的吸波器具有高度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性導(dǎo)致的。

圖4 極化角φ對(duì)吸波率的影響曲線

1.5 寬入射角特性研究

實(shí)際應(yīng)用中輻射的電磁波不都是垂直入射到我們的吸波器表面的，因此研究不同入射角度對(duì)吸波器的吸波率影響是有必要的。圖5(a)(b)分別是電磁波在TE和TM模式下不同入射角θ(定義為電磁波入射方向與吸波器表面法向的夾角)對(duì)吸波器吸波率的影響曲線。對(duì)TE模式而言，入射角的變化與吸波率成負(fù)相關(guān)，隨著入射角的增大吸波率總體而言降低，當(dāng)θ在0°到45°內(nèi)變化時(shí)，諧振峰1、2、3和5吸波率影響很小，諧振峰4吸波率略有減少，當(dāng)θ變化到60°時(shí)，諧振峰1、2影響很小，其他諧振峰吸波率有所降低，但是θ變化到75°時(shí)各諧振峰吸波率顯著降低，吸波性能變差。對(duì)TM模式，入射角從0°到60°變化時(shí)諧振峰1、2、3、4、5的吸波率影響很小，當(dāng)θ變到75°時(shí)諧振峰1、2、3吸波率顯著降低，諧振峰4、5吸波率得到增強(qiáng)；同時(shí)注意到隨著入射角θ變大，開始出現(xiàn)諧振峰6，并且諧振峰6峰值與入射角θ成正相關(guān)。因此，該吸波器不管是在TE模式還是在TM模式下，對(duì)于入射角θ在0°至60°范圍內(nèi)變化均表現(xiàn)出良好的吸波特性，從而說明本文設(shè)計(jì)的吸波器具有寬入射角特性。

(a)TE模式下入射角θ對(duì)吸波率的影響

(b)TM模式下入射角θ對(duì)吸波率的影響

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的吸波器具有五個(gè)吸收峰，且具有極化獨(dú)立和寬入射角的特性。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，加工制作了一個(gè)25×25個(gè)單元，面積為200mm×200mm的吸波器，如圖6(a)所示，該吸波器總厚度為1.07mm。實(shí)驗(yàn)使用了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(AgilentN5230A)，兩根同軸線，一對(duì)雙脊寬帶喇叭天線(工作頻率范圍為1-40GHz)，三角支架等設(shè)備，并且采用弓形法測(cè)量吸波樣本的反射率。喇叭天線分別通過同軸線連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)同軸端口，一個(gè)作為發(fā)射器，另一個(gè)作為接收器，三角架用于固定吸波器樣本，以此來(lái)測(cè)量吸波樣本的反射率。整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境在微波暗室下進(jìn)行，這是為了防止外界電磁波對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。最終實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比圖如圖6(b)所示，由此表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本上一致。

(a)吸波器樣品圖

(b)S11仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款多頻帶的超材料吸波器，該吸波器可以由吸波結(jié)構(gòu)A與吸波結(jié)構(gòu)B組合而成。仿真結(jié)果表明該吸波器在4.18-4.252GHz、8.068-8.188GHz以及11.736-11.9GHz頻段內(nèi)吸波率高達(dá)90%以上，在18.672-18.84GHz頻段內(nèi)吸波率在75%以上，在13.532-13.728GHz頻段內(nèi)吸波率在50%以上。并且分別在4.216GHz、8.128GHz、11.816GHz、13.632GHz、18.756GHz五個(gè)諧振峰處吸波率達(dá)到98.37%、95.81%、99.31%、60.99%和80.47%。接著通過對(duì)吸波器電場(chǎng)分布的研究進(jìn)一步證實(shí)了五個(gè)吸波諧振峰與吸波結(jié)構(gòu)A和B的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后又對(duì)吸波器做了極化敏感性分析和寬入射角特性分析，結(jié)果表明該吸波器極化不敏感，并且具有60°范圍內(nèi)寬入射角的特性。最后實(shí)驗(yàn)測(cè)試了吸波器樣本的反射率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果大致吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。