基于超材料和磁性材料的P波段吸收器設計

張猛 熊波

摘? 要：本文介紹了一種基于超材料、磁性材料的復合吸收器的設計與仿真。吸收器由鐵氧體層、金屬貼片層、介電層和金屬背板組成。利用兩種不同的超材料吸收器結構，以特殊方式排列，最終實現(xiàn)了從 300 MHz 到 2 GHz 的 8.5 dB 雷達橫截面降低，雷達橫截面的最大下降為13 dB。吸收器的總厚度為4.5 mm，約為工作波長的1/133。此外，吸收器可以強烈吸收橫向電和橫向磁極化的傾斜入射電磁波，即使在40°的入射角度。

關鍵詞：超材料;磁性材料;吸收器

中圖分類號：TB33? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

1 介紹

近年來，隨著雷達探測技術的飛速發(fā)展，對隱身技術的要求越來越高。吸收材料的使用是實現(xiàn)雷達隱身的有效手段[1]。然而，傳統(tǒng)的吸收材料難以滿足薄、輕、寬、強的要求[3]。作為一種新型合成材料，超材料具有吸收率高、入射角廣、無表面損耗層等特點[5]。但超材料吸收器的研究主要集中在高頻段[2]，在P波段（300MHz_1.2GHz）很少有研究。

為了在P波段實現(xiàn)高性能吸收，同時滿足薄、輕、寬的要求，本文采用磁性材料和超材料相結合。由于其高磁滲透性，磁性材料可以以小厚度擴大吸收器的帶寬[4]，但具有大比重的缺點。通過結合磁性和超材料設計吸收體，不僅克服了單磁性材料比重大的缺點，而且提高了設計自由度，有助于擴大吸收帶寬。

2 磁性材料及其吸收特性

本文中使用的磁性材料是NiCuZn鐵氧體，通常用于電磁兼容性（EMC）。文獻中給出的特定電磁參數(shù)如圖1所示。從圖1可以看出，鐵氧體材料的介電常數(shù)的實部〖ε_r〗^'和虛部〖ε_r〗^''在300 MHz至2 GHz的頻率范圍內(nèi)幾乎沒有變化。磁導率的實部〖μ_r〗^'和虛部〖μ_r〗^''隨著頻率的增加而減小，且〖μ_r〗^'其較大，表明該材料具有極強的磁損耗特性。

本章中的所有模擬都是使用CST微波工作室軟件模擬的。上述電磁參數(shù)數(shù)據(jù)被導入到CST MWS中，并創(chuàng)建了一種名為NiCuZn的新材料。利用周期邊界條件和浮波端口模擬了材料的反射系數(shù)。圖2顯示了反射系數(shù)S11與NiCuZn材料厚度之間的關系。

從圖2可以看出，鐵氧體本身在薄厚度條件下對整個P波段具有良好的吸收性能，在低頻條件下吸收性能更好。

3 單元結構設計

吸收器的單位結構如圖3所示。單位結構由四部分組成，底層為金屬背板，中間層為介電基板，頂層為磁性材料，中間為介電基板，鐵氧體為金屬方環(huán)。其中金屬結構構件為銅，厚度為0.02毫米，導電率為 5.8×107 S/m。介電基板為FR-4，介電常數(shù)為4.3，電損耗因數(shù)為0.025。具體結構尺寸如下：p = 56 mm，ω1 = 46 mm，ω2 = 18 mm，l = 25 mm，m = 2 mm。整個吸收器的厚度為4.5毫米，約為工作波長的1/133，其中鐵氧體厚度為3毫米，超材料吸收器的厚度為1.5毫米。圖4顯示了周期排列下結構的形狀，可視為方形環(huán)結構和交叉結構的組合。

4仿真結果和性能分析

由于金屬背板的存在，透射率T（ω）=0，吸收率A（ω）可以表示為A（ω）=1-R（ω）=1-〖S_11〗^2，因此反射系數(shù)可以用來描述超材料吸收器對電磁波的吸收圖5顯示了正常入射條件下的反射系數(shù)S11，由鐵氧體反射系數(shù)、TE波正常入射下的反射系數(shù)和TM波正常入射下的反射系數(shù)三條曲線組成。從圖中可以看出，在300 MHz至2 GHz的頻率范圍內(nèi)，吸收器的反射系數(shù)低于-10 dB。與3mm厚的鐵氧體相比，吸收器的反射系數(shù)S11從0.8GHz降低到1.3GHz，在1.2GHz時降低4dB，在正常入射下可以實現(xiàn)極化遲鈍。

5 結論

本文設計并模擬了一種基于超材料和磁性材料的復合吸收器。仿真結果表明，該吸收器在P波段300MHz～2GHz的頻率范圍內(nèi)可實現(xiàn)超寬帶和高性能吸收。吸收器的厚度僅為工作波長的1/133，具有低頻、寬帶、偏振不敏感的特點，具有在軍事上的潛在應用價值。

參考文獻

[1]Pang Y， Cheng H， Zhou Y， et al， “Analysis and design of wire-based metamaterial absorbers using equivalent circuit approach，”[J].Journal of Applied Physics， 2013，113（11）：207.

[2]Tsuda Y， Yasuzumi T， Hashimoto O， “A Thin Wave Absorber Using Closely Placed Divided Conductive Film and Resistive Film，” [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011（10）：892–895.

[3]Yuan C， Zhou Z， Qin R， et al， “Technical approach to obtain light thin and broadband coated RAM，” [J].Journal of Harbin Institute of technology，2007，39（6）：956–959.

[4]Zhai Q， Huang Y， Miao L， et al， “Application of Resin Based Absorbing Composites in Aero- nautics and Astronautics，”[J].Fiber Reinforced Plastics/composites，2009，26（6）：72–76.

[5]Cheng Y， Nie Y， Gong R， et al， “Design of a thin wide-band absorber based on metamaterials and resistance frequency selective surface，” [D]ACTA PHYS SIN，2012，61（13）130–136.

收稿日期：2019-11-12

作者簡介：張猛（1972—），男，遼寧大連人，碩士，高級工程師，研究方向：超材料。