同心結(jié)構(gòu)寬帶超材料吸波體設(shè)計(jì)及可調(diào)性研究

王連勝，夏冬艷，汪 源，丁學(xué)用，何彥廷.三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南三亞 570 .三亞學(xué)院財(cái)經(jīng)學(xué)院，海南三亞 570

同心結(jié)構(gòu)寬帶超材料吸波體設(shè)計(jì)及可調(diào)性研究

王連勝1，夏冬艷2，汪 源1，丁學(xué)用1，何彥廷11.三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南三亞 572022 2.三亞學(xué)院財(cái)經(jīng)學(xué)院，海南三亞 572022

設(shè)計(jì)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(shí)域有限元積分的方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)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(guān)性和尺寸依賴性；通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫加載變?nèi)荻O管，改變變?nèi)荻O管的電容值能有效的調(diào)節(jié)其吸收頻帶，并通過等效電路對原因進(jìn)行了分析。該吸波體結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

同心結(jié)構(gòu)；寬帶；超材料吸波體；可調(diào)性

超材料吸波體是一種結(jié)構(gòu)型吸波體，由周期性吸收單元組成吸波陣列，每個(gè)吸波單元一般是三明治結(jié)構(gòu)：頂層的金屬圖案、中間層的介質(zhì)基板以及底層的金屬板。Landy于2008年第一次提出了基于單個(gè)電環(huán)諧振器與短導(dǎo)線相加而成的超材料的吸波體，金屬結(jié)構(gòu)的諧振會讓超材料吸波體中的局域場快速增強(qiáng)，在到了阻抗匹配的時(shí)候，含有損耗的電介質(zhì)會讓電磁波發(fā)生強(qiáng)損耗的吸收。以后，超材料吸波體的設(shè)計(jì)從微波波段進(jìn)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(kuò)展到雙頻帶和三頻帶還有寬帶以及可調(diào)吸收。對于人工結(jié)構(gòu)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(yī)學(xué)、生物、軍事以及熱成像儀等領(lǐng)域和設(shè)備上的應(yīng)用提供了廣闊的前景。

超材料吸波體的吸波機(jī)理是基于電磁波的電磁諧振，當(dāng)入射進(jìn)入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結(jié)構(gòu)的諧振頻率時(shí)，吸波體的等效阻抗與自由空間的阻抗實(shí)現(xiàn)匹配，電磁波的反射將減少，電磁能量通過導(dǎo)體和介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)損耗，實(shí)現(xiàn)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(fù)雜電磁環(huán)境中的實(shí)際使用。本文設(shè)計(jì)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(shí)域有限元積分的方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明吸收率大于90％的頻段為65.1GHz～68.8GHz；通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫加載變?nèi)荻O管，改變變?nèi)荻O管的電容值能有效調(diào)節(jié)吸收頻帶。該吸波體結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 模型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的寬帶超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元模型，結(jié)構(gòu)單元由三層介質(zhì)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(dǎo)率為；第二層為FR4介質(zhì)層，其介電常數(shù)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(dǎo)率為厚度為0.05mm。多級同心開口八邊形金屬銅的有關(guān)結(jié)構(gòu)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(yè)三維電磁的仿真軟件Microwave studio CST對模型按上面所說參數(shù)進(jìn)行建模，仿真過程中使用波導(dǎo)端口激勵，周期邊界條件設(shè)置為x，y方向，其中x方向?yàn)橥昝来胚吔纾≒MC），y方向?yàn)橥昝离娺吔纾≒EC），z方向設(shè)置為激勵入射端口，采用時(shí)域求解器對結(jié)構(gòu)單元的電磁參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果分析與討論

利用Microwave Studio CST的時(shí)域求解器可以計(jì)算出與頻率相關(guān)的S參數(shù)（S11、S21），根據(jù)吸收率，由于結(jié)構(gòu)單元第三層介質(zhì)板為覆銅，故S21=0，計(jì)算得結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線

超材料吸波體的吸波機(jī)理是基于電磁波的電磁諧振，當(dāng)入射進(jìn)入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結(jié)構(gòu)的諧振頻率時(shí)，吸波體的等效阻抗與自由空間的阻抗實(shí)現(xiàn)匹配，電磁波的反射將減少，電磁能量通過導(dǎo)體和介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)損耗，實(shí)現(xiàn)對電磁波的吸收。根據(jù)測得的S參數(shù)，采用S參數(shù)反演法計(jì)算了寬帶超材料吸波體的歸一化阻抗實(shí)部所示，歸一化阻抗實(shí)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(dá)到了良好的阻抗匹配，吸收率較高。

為分析結(jié)構(gòu)單元的電磁波偏振相關(guān)性，將y軸方向設(shè)置成為完美磁壁，x軸方向設(shè)置成完美電壁。計(jì)算的結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線可以看出來，改變仿真條件以后，結(jié)構(gòu)單元的吸收特性發(fā)生了非常明顯改變，說明結(jié)構(gòu)單元的吸收特性是電磁波偏振相關(guān)的。

超材料吸波體的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸對其吸收特性的影響，計(jì)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(jié)構(gòu)單元的吸收率，結(jié)果圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)w從0.4mm到0.5mm逐漸增加時(shí)，結(jié)構(gòu)單元吸收率90％以上的帶寬逐漸減少；當(dāng)w從0.4mm 到0.3mm逐漸減少時(shí)，結(jié)構(gòu)單元吸收率90％以上的帶寬逐漸往低頻發(fā)生移動，帶寬逐漸減少。結(jié)構(gòu)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(dāng)e 從0.2mm到0.1mm逐漸減少時(shí)，結(jié)構(gòu)單元吸收率90％以上的帶寬逐漸往高頻發(fā)生移動，帶寬逐漸減少。

圖2　不同結(jié)構(gòu)尺寸下結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線

圖3　不同線寬下結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線

為分析寬帶超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元的吸收頻帶可調(diào)性，在結(jié)構(gòu)單元的中間開口縫處加載變?nèi)荻O管，仿真過程中通過加載介電常數(shù)可變的介質(zhì)來模擬變?nèi)荻O管，其中介質(zhì)的寬度為2.1mm，高度為0.3mm，厚度為0.05mm，當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)增加時(shí)，變?nèi)荻O管的電容值增加，介電常數(shù)減小時(shí)，變?nèi)荻O管的電容值減小。對介質(zhì)在不同介電常數(shù)下結(jié)構(gòu)單元的吸收率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果，隨著介電常數(shù)的增加，吸收率90％以上的帶寬逐漸往低頻發(fā)生移動，帶寬逐漸減少。

通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫處加載變?nèi)荻O管能有效的調(diào)節(jié)其吸收頻帶可以通過其等效電路解釋。結(jié)構(gòu)單元的等效電路如圖4所示，微波信號從電路網(wǎng)絡(luò)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(gè)不同的金屬開口八邊形（為表達(dá)方便，依次編號為八邊形1、八邊形2、…、八邊形5）與FR4介質(zhì)和金屬基板復(fù)合形成5組電阻、電感、電容串聯(lián)電路，然后并聯(lián)在一起，其中的電阻 Ri（i=1，2，3，4，5）對應(yīng)5組八邊形金屬的等效電阻；電感 Li（i=1，2，3，4，5）對應(yīng)八邊形金屬的等效電感；電容Ci（i=1，2，3，4，5）對應(yīng)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(jié)構(gòu)單元的開口縫處加載變?nèi)荻O管，可以有效的調(diào)節(jié)等效電路中的Ci（i=1，2，3，4，5），當(dāng)Ci（i=1，2，3，4，5）逐漸增加時(shí)導(dǎo)致其吸收頻帶中由相應(yīng)電容引起的吸收頻率往低頻發(fā)生移動，其余吸收頻率不變，因此當(dāng)變?nèi)荻O管電容值增加時(shí)，吸收頻帶往低頻發(fā)生移動，吸收帶寬逐漸變窄。通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫處加載變?nèi)荻O管，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元吸收頻帶的智能可調(diào)，為寬帶超材料吸波體在實(shí)際中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4　超材料吸波體的等效電路圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(yè)電磁仿真Microwave Studio CST中的時(shí)域有限元積分方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明吸收率大于90％的頻段為65.1GHz～68.8GHz，在該頻段內(nèi)結(jié)構(gòu)單元的歸一化阻抗實(shí)部接近于1，表明吸波體和自由空間到達(dá)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(guān)性進(jìn)行了研究，表明當(dāng)改變?nèi)肷潆姶挪ǖ钠穹绞綍r(shí)，結(jié)構(gòu)單元的寬帶吸收特性消失；當(dāng)改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸時(shí)，其吸收帶寬將變窄；通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫加載變?nèi)荻O管，改變變?nèi)荻O管的電容值能有效的調(diào)節(jié)其吸收頻帶，并通過建立結(jié)構(gòu)單元的等效電路對原因進(jìn)行了分析。該吸波體結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

TB34

A

1674-6708（2016）170-0091-02

海南省自然科學(xué)基金（20165200）。

王連勝，講師，三亞學(xué)院理工學(xué)院電子信息工程系，研究方向?yàn)樽笫植牧稀Ｏ亩G，三亞學(xué)院財(cái)經(jīng)學(xué)院。汪源，三亞學(xué)院理工學(xué)院。丁學(xué)用，三亞學(xué)院理工學(xué)院。何彥廷，三亞學(xué)院理工學(xué)院。

［1］張洪欣，徐楠，黃麗玉，等.電磁異向介質(zhì)在陣列天線中的應(yīng)用研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29（4）：673-677.

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