同心結構寬帶超材料吸波體設計及可調性研究

王連勝，夏冬艷，汪 源，丁學用，何彥廷.三亞學院理工學院，海南三亞 570 .三亞學院財經學院，海南三亞 570

同心結構寬帶超材料吸波體設計及可調性研究

王連勝1，夏冬艷2，汪 源1，丁學用1，何彥廷11.三亞學院理工學院，海南三亞 572022 2.三亞學院財經學院，海南三亞 572022

設計了一種新的基于同心開口八邊形的寬帶超材料吸波體。采用時域有限元積分的方法對結構單元的電磁特性進行計算，結果表明吸收率大于90％的頻段為65.1GHz～68.8GHz，其寬帶吸收特性具有明顯的偏振相關性和尺寸依賴性；通過在結構單元的開口縫加載變容二極管，改變變容二極管的電容值能有效的調節其吸收頻帶，并通過等效電路對原因進行了分析。該吸波體結構簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領域具有重要的應用價值。

同心結構；寬帶；超材料吸波體；可調性

超材料吸波體是一種結構型吸波體，由周期性吸收單元組成吸波陣列，每個吸波單元一般是三明治結構：頂層的金屬圖案、中間層的介質基板以及底層的金屬板。Landy于2008年第一次提出了基于單個電環諧振器與短導線相加而成的超材料的吸波體，金屬結構的諧振會讓超材料吸波體中的局域場快速增強，在到了阻抗匹配的時候，含有損耗的電介質會讓電磁波發生強損耗的吸收。以后，超材料吸波體的設計從微波波段進一步拓展到太赫茲頻段以及紅外波段和光波段，從單頻帶吸收擴展到雙頻帶和三頻帶還有寬帶以及可調吸收。對于人工結構的超材料吸波體成功的突破了Terahertz“禁帶”，為超材料吸波體在醫學、生物、軍事以及熱成像儀等領域和設備上的應用提供了廣闊的前景。

超材料吸波體的吸波機理是基于電磁波的電磁諧振，當入射進入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結構的諧振頻率時，吸波體的等效阻抗與自由空間的阻抗實現匹配，電磁波的反射將減少，電磁能量通過導體和介質產生強損耗，實現對電磁波的吸收。雖然上述超材料吸波體具有良好的吸波性能，但其工作頻率一般是窄帶的并且是固定的，這極大限制了超材料吸波體在復雜電磁環境中的實際使用。本文設計了一種新的基于同心開口八邊形的寬帶超材料吸波體，采用時域有限元積分的方法對結構單元的電磁特性進行計算分析，結果表明吸收率大于90％的頻段為65.1GHz～68.8GHz；通過在結構單元的開口縫加載變容二極管，改變變容二極管的電容值能有效調節吸收頻帶。該吸波體結構簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領域具有重要的應用價值。

1 模型設計

本文設計的寬帶超材料吸波體結構單元模型，結構單元由三層介質組成，第一層為多級同心開口八邊形金屬銅，厚度為0.05mm，電導率為；第二層為FR4介質層，其介電常數為4.9，介電損耗角正切值為0.025，厚度為0.5mm；第三層為金屬銅板，其電導率為厚度為0.05mm。多級同心開口八邊形金屬銅的有關結構尺寸如下：a=b=2.4mm，c=0.5mm，每一級同心開口八邊形金屬銅的c增加量w為0.4mm，d=0.3mm，e=0.2mm。

采用商業三維電磁的仿真軟件Microwave studio CST對模型按上面所說參數進行建模，仿真過程中使用波導端口激勵，周期邊界條件設置為x，y方向，其中x方向為完美磁邊界（PMC），y方向為完美電邊界（PEC），z方向設置為激勵入射端口，采用時域求解器對結構單元的電磁參數進行計算。

2 結果分析與討論

利用Microwave Studio CST的時域求解器可以計算出與頻率相關的S參數（S11、S21），根據吸收率，由于結構單元第三層介質板為覆銅，故S21=0，計算得結構單元在電磁波垂直入射下吸收率曲線如圖1所示。從圖1可以看出，結構單元吸收率在90％以上的頻段為65.1GHz～68.8GHz，帶寬為3.7GHz，吸收率最大為99.6％。

圖1　結構單元的吸收率曲線

超材料吸波體的吸波機理是基于電磁波的電磁諧振，當入射進入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結構的諧振頻率時，吸波體的等效阻抗與自由空間的阻抗實現匹配，電磁波的反射將減少，電磁能量通過導體和介質產生強損耗，實現對電磁波的吸收。根據測得的S參數，采用S參數反演法計算了寬帶超材料吸波體的歸一化阻抗實部所示，歸一化阻抗實部在65.1GHz～68.8GHz接近于1，表明寬帶超材料吸波體與自由空間達到了良好的阻抗匹配，吸收率較高。

為分析結構單元的電磁波偏振相關性，將y軸方向設置成為完美磁壁，x軸方向設置成完美電壁。計算的結構單元的吸收率曲線可以看出來，改變仿真條件以后，結構單元的吸收特性發生了非常明顯改變，說明結構單元的吸收特性是電磁波偏振相關的。

超材料吸波體的結構尺寸對本身吸收特性有著重要的影響，為了分析寬帶超材料吸波體的結構尺寸對其吸收特性的影響，計算了每級同心開口八邊形金屬銅的c增加量w在不同情況下結構單元的吸收率，結果圖2所示。從圖2可以看出，當w從0.4mm到0.5mm逐漸增加時，結構單元吸收率90％以上的帶寬逐漸減少；當w從0.4mm 到0.3mm逐漸減少時，結構單元吸收率90％以上的帶寬逐漸往低頻發生移動，帶寬逐漸減少。結構單元在不同線寬e下的吸收率如圖3所示，從圖3可以看出，當e 從0.2mm到0.1mm逐漸減少時，結構單元吸收率90％以上的帶寬逐漸往高頻發生移動，帶寬逐漸減少。

圖2　不同結構尺寸下結構單元的吸收率曲線

圖3　不同線寬下結構單元的吸收率曲線

為分析寬帶超材料吸波體結構單元的吸收頻帶可調性，在結構單元的中間開口縫處加載變容二極管，仿真過程中通過加載介電常數可變的介質來模擬變容二極管，其中介質的寬度為2.1mm，高度為0.3mm，厚度為0.05mm，當介質的介電常數增加時，變容二極管的電容值增加，介電常數減小時，變容二極管的電容值減小。對介質在不同介電常數下結構單元的吸收率進行計算，結果，隨著介電常數的增加，吸收率90％以上的帶寬逐漸往低頻發生移動，帶寬逐漸減少。

通過在結構單元的開口縫處加載變容二極管能有效的調節其吸收頻帶可以通過其等效電路解釋。結構單元的等效電路如圖4所示，微波信號從電路網絡的左端輸入，代表電磁波從吸波單元的上層金屬開口八邊形面垂直入射，5個不同的金屬開口八邊形（為表達方便，依次編號為八邊形1、八邊形2、…、八邊形5）與FR4介質和金屬基板復合形成5組電阻、電感、電容串聯電路，然后并聯在一起，其中的電阻 Ri（i=1，2，3，4，5）對應5組八邊形金屬的等效電阻；電感 Li（i=1，2，3，4，5）對應八邊形金屬的等效電感；電容Ci（i=1，2，3，4，5）對應八邊形金屬的等效電容，C6為八邊形金屬面與金屬基板之間的等效電容。通過在結構單元的開口縫處加載變容二極管，可以有效的調節等效電路中的Ci（i=1，2，3，4，5），當Ci（i=1，2，3，4，5）逐漸增加時導致其吸收頻帶中由相應電容引起的吸收頻率往低頻發生移動，其余吸收頻率不變，因此當變容二極管電容值增加時，吸收頻帶往低頻發生移動，吸收帶寬逐漸變窄。通過在結構單元的開口縫處加載變容二極管，實現了結構單元吸收頻帶的智能可調，為寬帶超材料吸波體在實際中的應用奠定了基礎。

圖4　超材料吸波體的等效電路圖

3 結論

本文設計了一種新的基于同心開口八邊形的寬帶超材料吸波體。利用商業電磁仿真Microwave Studio CST中的時域有限元積分方法對結構單元的電磁特性進行計算分析，結果表明吸收率大于90％的頻段為65.1GHz～68.8GHz，在該頻段內結構單元的歸一化阻抗實部接近于1，表明吸波體和自由空間到達了很好的阻抗的匹配。通過對本身寬帶吸收特性的偏振與尺寸相關性進行了研究，表明當改變入射電磁波的偏振方式時，結構單元的寬帶吸收特性消失；當改變結構單元的尺寸時，其吸收帶寬將變窄；通過在結構單元的開口縫加載變容二極管，改變變容二極管的電容值能有效的調節其吸收頻帶，并通過建立結構單元的等效電路對原因進行了分析。該吸波體結構簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領域具有重要的應用價值。

TB34

A

1674-6708（2016）170-0091-02

海南省自然科學基金（20165200）。

王連勝，講師，三亞學院理工學院電子信息工程系，研究方向為左手材料。夏冬艷，三亞學院財經學院。汪源，三亞學院理工學院。丁學用，三亞學院理工學院。何彥廷，三亞學院理工學院。

［1］張洪欣，徐楠，黃麗玉，等.電磁異向介質在陣列天線中的應用研究［J］.電波科學學報，2014，29（4）：673-677.

［2］保石，羅春榮，趙曉鵬，等.基于樹枝結構單元的超材料寬帶微波吸收器［J］.物理學報，2010，59（5）：3187-3191.