極化無關雙向吸收超材料吸波體的仿真與實驗驗證*

魯磊屈紹波夏頌 徐卓 馬華王甲富余斐

1)(空軍工程大學理學院，西安 710051)

2)(西安交通大學，電子材料與器件教育部重點實驗室，西安 710049)

(2012年6月7日收到;2012年8月5日收到修改稿)

1 引言

超材料是一類新型人工復合材料，具有許多奇異的電磁特性，如負折射率、完美透鏡和隱身斗篷等[1-5].超材料另一方面的重要應用是完美吸波體[6].通過調整超材料亞波長單元的尺寸和形狀，可以分別調節(jié)超材料的等效介電常數和磁導率，使得反射率R和透射率T同時達到最小，從而實現(xiàn)吸收率A達到最大(A=1-R-T).自2008年Landy等[6]提出微波頻段完美吸收超材料吸波體后，超材料吸波體引起了研究人員的廣泛關注，其研究領域也從微波頻段[7-12]拓展到太赫茲[13-15]、紅外[16-18]以及光頻段[19-21].然而，關于雙向吸收超材料吸波體卻鮮有報道，這限制了其應用范圍.2010年Hu等[22]提出了雙向吸收平面結構超材料吸波體，但是該吸波體是極化相關的.

本文仿真設計并實驗驗證了一種極化無關的雙向吸收平面結構超材料吸波體.通過全波仿真研究了該吸波體對不同極化電磁波在斜入射情況下的吸收效果，以及通過對單元金屬結構的表面電流分布研究了其諧振特性，并分析了其損耗主要來自介質基板的介電損耗.最后，加工出實驗樣品并進行了測試，驗證了該超材料吸波體的雙向吸收特性.該吸波體吸收率高、厚度薄、設計簡單且可通過按比例調節(jié)超材料吸波體的單元尺寸大小，使其工作于其他頻段.

2 仿真設計和分析

超材料吸波體由三層周期金屬結構組成，中間被兩層介質基板隔開，如圖1(a)所示.電磁波垂直入射到吸波體表面，其中電場沿+x方向，磁場沿+y方向，沿z軸的兩個方向分別記為激勵端口1和激勵端口2.周期金屬結構采用耶路撒冷十字電諧振結構，其單元形狀如圖1(b)所示，具體尺寸為：a=5 mm，b=4.8 mm，c=3 mm，w1=0.6 mm，w2=0.2 mm.周期金屬結構由銅箔構成，其電導率為5.8×107S/m，厚度為t=0.02mm.介質基板采用FR-4雙面板，其相對介電常數為εr=3.9(1+i0.03)，厚度為h=0.4 mm.耶路撒冷十字結構對垂直入射電磁波具有強烈的電諧振，實現(xiàn)對電磁波的電耦合;而第一層與第二、三層金屬結構形成環(huán)形電流，產生磁諧振，實現(xiàn)對電磁波的磁耦合.通過調節(jié)金屬結構的尺寸和介質基板的厚度，可以調節(jié)吸波體電磁響應的頻率和強度，實現(xiàn)吸波體與空氣的阻抗匹配和高損耗.由于耶路撒冷十字結構具有四重旋轉對稱性，因而超材料吸波體是極化無關的.

圖1 超材料吸波體結構示意圖 (a)側視圖;(b)單元結構

采用基于有限元的商業(yè)電磁軟件Ansoft HFSS進行全波仿真，單元金屬結構周圍的四個面上均設為周期邊界條件.超材料吸波體仿真得到的反射率、透射率以及吸收率如圖2所示.由于超材料吸波體在電磁波傳播方向上是對稱的，因而電磁波沿端口1和端口2入射所得到的散射參數是相同的，圖2僅給出沿一個方向的結果.在10.7 GHz，反射率R=|S11|2達到最小，同時透射率T=|S21|2也非常小，此時吸收率達到最大為90.7%，半功率帶寬為6.6%，從而實現(xiàn)雙向窄帶強吸收.

超材料吸波體對不同斜入射角度橫電(TE)極化和橫磁(TM)極化電磁波的吸收情況如圖3所示.其中，θ為電磁波波矢與超材料吸波體法線的夾角.如圖3(a)所示，對于TE極化波，隨著斜入射角度θ的增加，吸收峰頻率基本保持不變，而吸收率逐漸減小，θ為60°時，吸收率仍可達到70%.對于TM極化波，隨著θ的增加，吸收峰頻率發(fā)生藍移，吸收率逐漸增大，θ為50°時，吸收率達到最大為99.3%.該超材料吸波體對斜入射TE極化和TM極化電磁波均具有較好的吸收效果.

圖2 超材料吸波體仿真的反射率、透射率和吸收率

圖3 對不同斜入射角度下電磁波的吸收率 (a)TE極化波;(b)TM極化波

圖4 吸波體單元金屬結構表面電流分布 (a)第一層;(b)第二層;(c)第三層

超材料吸波體單元結構在吸收峰頻率10.7 GHz的表面電流分布如圖4所示.在電磁波垂直入射到超材料吸波體表面的情況下，圖4(a)中第一層金屬結構在平行電場的作用下產生電諧振，圖4(b)和4(c)中第二層、三層金屬結構上的電流方向與第一層金屬結構上的電流方向相反，形成環(huán)流，產生磁諧振.在阻抗匹配時，吸波體對入射電磁波的反射最小，且超材料吸波體在諧振頻率附近具有較大的金屬歐姆損耗和介質基板的介電損耗，因而可以實現(xiàn)對電磁波的強吸收.為分析超材料吸波體的損耗來源，我們仿真了金屬結構銅片或是介質基板具有損耗時的吸收率情況.如圖5所示，當僅金屬結構具有損耗，即銅片和無耗基板組合時，吸收率最大只有22.6%;而當僅介質基板含有損耗，即理想電導體(PEC)和損耗基板組合時，其吸收率曲線與采用金屬結構銅片和損耗基板組合時的吸收率曲線基本重合，由此說明該超材料吸波體的損耗主要來自于介質基板.超材料吸波體介質基板中的單位體積能量損耗密度如圖6(a)和(b)所示，介電損耗主要集中于耶路撒冷十字沿電場方向的兩臂之間第一層介質基板中.

圖5 超材料吸波體損耗來源分析

圖6 吸波體介質基板中的單位體積能量損耗密度 (a)第一層;(b)第二層

3 實驗驗證

采用印刷電路板技術，首先用厚度為0.4 mm的FR-4雙面板加工出前兩層金屬結構，再用厚度同樣為0.4 mm的FR-4單面板加工出第三層金屬結構，最后用粘合劑將加工出的兩塊樣品粘在一起.最終加工出的樣品實物如圖7(a)所示，樣品尺寸為20 mm×10 mm，共4×2個單元，每個單元金屬結構的尺寸與圖1(b)中的仿真尺寸相同.實驗所采用的矩形波導測試系統(tǒng)如圖7(b)所示，由HP8270ES矢量網絡分析儀和X波段的BJ100標準矩形波導組成，矩形波導橫截面尺寸為22.86 mm×10.16 mm，樣品用泡沫固定于矩形波導的中間位置.

圖7 (a)加工樣品照片;(b)矩形波導測試系統(tǒng)

圖8 實驗樣品測試數據 (a)S參數;(b)吸收率

圖9 仿真有限大尺寸超材料吸波體的反射率、透射率和吸收率

測試超材料吸波體樣品得到的散射(S)參數如圖8(a)所示，|S12|與|S21|基本重合;|S22|較|S11|差，產生很多反射，但都在11.1 GHz同時達到最小.吸收率曲線如圖8(b)所示，電磁波分別沿端口1和端口2入射時，吸收率峰值依次為95.9%和90.8%.吸波體總厚度約為0.8 mm，工作波長約1/34.

圖8(a)中|S22|和|S11|在高頻段幅值略有不同，這主要是因為在實驗樣品加工制作過程中，用粘合劑將先后加工出的兩塊樣品粘在一起，不可避免地會在樣品之間引入空氣層和粘合劑，導致最終加工出的樣品在電磁波傳播方向上不是完全對稱的，即樣品的兩面與空氣的阻抗匹配特性略有不同，從而使得反射率也略有差異;此外，實際樣品在矩形波導測試系統(tǒng)中測試時會產生許多擾動，如圖8(a)所示反射系數低谷兩側頻段，這也是導致|S22|和|S11|存在差異的原因之一.

圖9為仿真的與樣品實物大小相同的有限大尺寸超材料吸波體在矩形波導環(huán)境下的反射率、透射率和吸收率曲線，其吸收峰頻率和幅值分別為10.96 GHz和93.6%.比較圖8(b)和圖9中的吸收率曲線，超材料吸波體測試的吸收峰頻率較仿真結果向高頻移動了0.14 GHz.這主要是由于FR-4基板介電常數的不均勻性以及測試樣品的有限大尺寸引起的;FR-4基板介電常數會隨著頻率增大而減小，而有限大尺寸會使得樣品的總體電容減小，從而使得吸收峰頻率向高頻移動.總體來看，測試結果與仿真結果符合較好，驗證了該超材料吸波體的雙向吸收特性.

4 結論

本文設計制作了極化無關雙向吸收超材料吸波體，該吸波體對斜入射TE極化和TM極化電磁波具有較好的吸收效果，通過金屬單元結構的表面電流分布研究了其電磁諧振特性，并仿真分析了吸波體強吸收的損耗主要來自FR-4介質基板的介電損耗.加工出超材料吸波體實驗樣品并進行了測試，測試數據表明，該吸波體在11.1 GHz實現(xiàn)了雙向強吸收，吸收率分別為95.9%和90.8%.該吸波體厚度較薄，工作波長約為1/34.總之，本文設計的吸波體厚度薄、設計簡單，可用于雷達吸波材料，具有較好的應用前景.

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