基于超材料的電磁能量吸收與轉換研究現狀及發展趨勢簡析

龍天斌，江炳萱,3，張俊濤，熊 漢,2*

（1. 重慶大學 微電子與通信工程學院，重慶 400044； 2. 東南大學 毫米波國家重點實驗室，南京 211189；3. 中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074）

0 引言

無線通信技術的不斷發展為人們的生產、生活帶來便利的同時，也使環境空間中的電磁波增多，導致電磁輻射污染問題日益嚴峻；與此同時，隨著無線傳感網絡、小功率可穿戴設備等微電子系統的快速發展，傳統的電池供電方式面臨電池壽命有限、更換成本高昂，廢電池易對生態環境造成嚴重污染等問題。因此通過吸收周圍空間的電磁能量給微電子系統供電逐漸成為研究熱點。此外，電磁能量吸收與轉換的研究在航天航空等特殊行業也有廣泛的應用前景，例如：隨著雷達檢測技術的不斷發展，隱形戰機為了提高隱身效果，需要將探測雷達發出的電磁波盡可能完全吸收，以減小電磁波反射，這就要求涂覆在戰機表面的吸波材料吸收效率足夠高、吸收頻帶足夠寬。

傳統電磁能量收集裝置存在吸收效率不高、極化敏感等問題，應用受限，故需發展新型材料電磁能量收集技術。電磁超材料是具有亞波長周期性結構的人工合成復合材料，其電磁參量（介電常數和磁導率）幾乎不取決于材料本身的特性，而取決于諧振基本單元的拓撲結構、幾何尺寸、周期排列方式與基底材料性質，故可控性強，便于設計制造。此外，電磁超材料還具有一些反常的電磁特性（如負折射率[1-2]、對特定頻率電磁波可近乎完全吸收[3-4]、負介電常數[5]、逆切倫科夫輻射[6]等）。利用電磁超材料對電磁波的完美吸收特性來收集電磁能量成為空間電磁能量收集新的研究方向。自Landy 等[7]首次提出電磁超材料吸波器（PMA）以來，有關科研人員從電磁超材料吸波器的高吸收率、多頻段、寬頻帶、寬入射角和極化不敏感等方面開展了諸多研究工作，設計制造了一些各具特點的吸波器。目前，電磁超材料吸波器在醫學、生物、軍事等領域展現出廣闊的應用前景。

本文將梳理已有研究的相關文獻報道，概述電磁超材料的電磁能量吸收與轉換這2 個主要研究方向的現狀，并討論電磁能量收集有待研究的問題及發展趨勢。

1 電磁能量吸收

1.1 超材料吸波原理

超材料吸波的原理是：通過對吸收電磁波的微結構單元進行設計，實現入射電磁波與結構單元的同步強諧振，使其達到理想的阻抗匹配來實現對入射電磁波的理想吸收。典型的電磁超材料吸波體是由金屬開口諧振環、介質層、金屬底板組成的“三明治”結構（參見圖1[7]、圖2[8]）。其中：電磁諧振層通過與電磁波匹配，在特定頻率產生諧振，諧振方式以諧振環的電諧振和相鄰諧振單元間的磁諧振為主[9]；介質層將電磁諧振層與金屬底板隔離開，可以通過改變電場相位在底層形成反向電流[10]；金屬底板大多采用高導電率金屬材料，用來阻止電磁波透射，提高吸波效率。

圖 1 Landy 等設計的三層式超材料吸波結構單元Fig. 1 Unit cell of three-layer metamaterial absorber designed by Landy, et al

圖 2 Shen 等設計的超材料吸波結構Fig. 2 Unit cell of metamaterial absorber designed by Shen,et al

傳統吸波結構的厚度為波長的1/4，使得反射波與入射波相位相差180°，剛好相互抵消，從而達到吸收入射電磁波的作用。而超材料吸波器可以突破1/4 波長的限制，使吸波結構的設計厚度大大減小。同時，為提高電磁超材料的吸波效果和實用性，拓寬其高吸收電磁波的頻率范圍，研究者又設計了多頻段、寬頻帶、可調諧等不同類型的超材料吸波器。下文將分別介紹它們的實現方法、結構及優缺點。

1.2 多頻段超材料吸波器

多頻段超材料吸波的實現是通過將不同大小、不同諧振頻率的諧振單元組合到一起，利用耦合疊加效應產生多頻段吸收的效果。Park 等[11]將不同的圓形諧振單元按不同的方式排列，獲得了多頻點吸波的效果。杜怡然等[12]用大開口諧振環嵌套小開口諧振環的方式實現了雙頻段吸波，在5.34 和7.75 GHz 頻率處吸收率分別達到73.8%和94.3%。Zhong 等[13]通過將4 個簡單的開口諧振環結構圍繞底板幾何中心旋轉排列，制成三頻段超材料吸波器，在1.75、3.8、5.4 GHz 處達到吸收峰值，且該吸波結構對極化方向和入射角度不敏感。Ghaderi 等[14]在一塊矩形諧振器上通過打孔并填入有耗介質層，最終實現了雙頻段吸收。Xie 等[15]采取同樣方式，甚至實現了4 個頻段的吸收。除了用不同的諧振單元組合，還可以用諧振單元和金屬線組合來實現多頻段吸收。Shater 等[16]采用電磁超材料和微帶天線組合的形式，構造了吸收峰值為8.4 和10.9 GHz的雙頻超材料吸波器（見圖3[16]）。鄧金山等[17]提出了一種由頻率選擇表面（FSS）單元、電介質層和金屬背板組成的三頻超材料吸波體，其中的FSS 單元是由方環和耶路撒冷環復合而成的電磁諧振器，在3.39、4.94 和9.91 GHz 頻率處分別實現98.9%、97.6%和98.4%的吸收率[17]。Gundogdu 等[18]則直接采用3 種長短不一的短路金屬線實現了在不同頻率點達到吸波峰值的效果，且該結構制造相對簡單，可以通過更改短路金屬線的長度來調整諧振頻率點。

圖 3 Shater 等設計的雙頻帶超材料吸波器諧振結構單元Fig. 3 Unit cell of double-band metamaterial absorber designed by Shater, et al

多頻段超材料吸波器與單頻吸波器相比，一定程度上拓寬了吸收頻率的范圍，提高了吸收效率。但隨著組合諧振單元數量的增加，其材料厚度會增大，制作成本也會增高，并且不能適應頻率成分復雜的電磁波吸收。

1.3 寬頻帶超材料吸波器

為了在多頻段超材料吸波器基礎上進一步提高吸收效率，寬頻帶超材料吸波器應運而生，主要有多層堆疊結構、多單元結構和加載集總元件等3 種類型。

通過優化諧振單元，將多個諧振頻率相接近的諧振結構縱向堆疊，整合為一個基本諧振單元，即可在整體上產生寬頻吸收的效果。Ding 等[19]所設計的多層結構堆疊超材料吸波體（見圖4[19]）的基本單元諧振結構類似金字塔型，在不同水平面上具有不同的電磁參數和諧振頻率，且這些諧振頻率間隔較小，因此整合后整體表現為寬頻吸波特性。仿真計算得到該結構在8～14 GHz 頻帶的吸收率達到80%以上。

圖 4 Ding 等設計的超材料吸波體及其基本諧振單元剖面圖Fig. 4 Stereo image of metamaterial absorberand unit cell of resonator designed by Ding, et al

多層堆疊結構會使吸波器的總體厚度增加，而多單元結構可根據不同吸收峰疊加原理在不增加總體厚度的情況下拓寬吸收頻帶。Karaaslan等[20]將2 組4 個形狀相似、大小不同的圓形開口諧振環交替排列（見圖5[20]），組合成一個較大的諧振基本單元。該結構在3.3～5.86 GHz 頻帶內吸收率可達80%；吸收率達到90%及以上的頻帶寬度為1.77 GHz。郝宏剛等[21]設計了一種由圓形開口環和方形開口環組成的頂層金屬結構（見圖6[21]）。該結構在10.65～22.39 GHz 頻帶的吸收率大于90%。但是，多單元結構吸波器的平面尺寸增大，且單元高度不對稱，易存在極化敏感問題。

圖 5 Karaaslan 等設計的組合諧振基本單元Fig. 5 The combined unit cell of resonator designed by Karaaslan, et al

圖 6 郝宏剛等設計的超材料吸波結構單元Fig. 6 Unit cell of metamaterial absorber designed by Hao, et al

根據等效媒質理論，在計算出超材料吸波結構的等效阻抗后，添加合適的表面電阻即可使超材料在一定的頻率范圍內與自由空間形成阻抗匹配，從而達到在較寬的頻率范圍內高效吸波的目的，且吸收的部分電磁波能量還可以在集總電阻上以焦耳熱的形式消耗，進一步提高吸波效率。Chen 等[22]在X 形超材料結構的4 個接觸點處加入電阻，實現了5～13 GHz 頻帶的電磁波高吸收效果。此外，組合運用不同的諧振環和添加集總電阻方法，也可以達到拓寬吸波頻譜、提高吸收效率的目的。Gu 等[23]設計的超材料單元由電耦合LC 諧振環和開口諧振環（ELC-SRR 結構）構成，并加入電阻、電容等集總參數元件，經實驗測算，其在2.4 GHz 頻率點的吸收率高達99.9%，在峰值附近吸收率達50%以上的帶寬達700 MHz。Yoo 等[24]將具有特定等效阻抗的超表面與電阻電容層相堆疊，組成特殊的六邊形結構（見圖7[24]），經實驗測試，其在垂直入射下、7.2～12.5 GHz 頻率范圍內的吸收率高達90%。Karaaslan 等[20]使用不同大小的諧振環堆疊，并在每個諧振環開口處加入1 個250 Ω 的電阻形成吸波結構；經仿真計算，其吸波頻帶寬度和吸收效率均明顯提高。

圖 7 Yoo 等設計的超材料吸波單元及頂層電阻電容層實物圖Fig. 7 Unit cell of the metamaterial absorber,andthe RC layer designed by Yoo, et al

通過組合不同的諧振結構構成的吸波器設計靈活，可以根據需要的頻帶組合不同的諧振結構，但是其吸收頻帶往往比較窄，在實際應用中有一定局限性。通過添加集總參數元件的方法可以顯著拓寬吸收頻帶，但是吸波器的厚度會增大，生成制作難度更大。

除上述3 種超材料吸波器實現方法，還可以利用高阻表面實現寬頻帶吸收。Costa 等[25-26]提出在泡沫表面上設計高阻表面來吸收電磁波，利用細環形高阻表面和金屬頻選結構可實現低插損情況下在10～20 GHz 頻帶內吸收率達到90%以上。但該研究僅停留在理論仿真分析階段，Cheng 等[27]在此基礎上改進表面圖形，并制造出實物，驗證了其可行性。

1.4 可調諧超材料吸波器

在特定環境下，自由空間中的電磁能量頻譜分布可能不固定且變化范圍廣泛，單純的寬頻帶吸波器無法適應這種變化，因此可調諧超材料吸波器成為另一研究熱點?？烧{諧超材料吸波器的設計方法主要有：調節超材料吸波器的幾何結構；或利用諧振環或基板的非線性效應改變超材料的電磁特性。

可通過多種方法改變超材料吸波器的幾何結構來實現吸收調節。Wang 等[28]設計了一種方形超材料吸波結構，經實驗驗證，當增大方形超材料吸波結構的邊長時，吸收峰值電磁波的波長也隨之增大。Unal 等[29]驗證了當改變介質層厚度時電磁波吸收峰會產生一定偏移。Wang 等[30]設計了一種含可移動部件的吸波器，當其頂層的方形金屬片位于底層基板幾何中心正上方時，吸收峰在2.11 THz處；當金屬片沿電場方向水平移動16 μm 時，吸收峰移至2.59 THz 處。

利用諧振環或基板的非線性效應可以改變超材料的電磁特性，而電磁超材料的諧振頻率會隨超材料電磁特性的變化而改變，因此可通過人為可控的外加激勵（如偏置電壓、溫度等）對超材料的電磁特性產生影響，從而實現其吸收頻率調節。外加激勵中，偏置電壓往往被應用于含有可變電路元器件、液晶材料和石墨烯材料的超材料吸波器；溫度調頻則適用于含有二氧化釩（VO2）的超材料吸波器。Velez 等[31]在介質層中加入可變二極管和可變電容（見圖8[31]），通過改變偏置電壓實現了約0.5 GHz 的頻率偏移。Deng 等[32]設計了一種包含液晶材料的吸波結構（見圖9[32]），通過在該結構的頂層金屬圖案層和底層金屬之間施加不同的偏置電壓來影響液晶材料的磁導率，進而調節諧振頻率，經實驗測算，其吸收峰可從110.9 GHz 處調節到103.8 GHz 處。Huang 等[33]設計了一種含有石墨烯的吸波器，當偏置電壓從0 V 增加至30.7 V時，石墨烯薄片的化學勢由0 eV 提升到0.4 eV，同時 吸 收 峰 頻 率 從13.5 GHz 提 高 至19.0 GHz。Wen 等[34]通過在傳統的超材料諧振結構中加入VO2薄片，實現利用溫度對超材料電磁特性的影響來改變諧振頻率。

圖 8 Velez 等設計的調諧超材料吸波器結構Fig. 8 The tunable metamaterial absorber designed by Velez,et al

圖 9 Deng 等設計的可調超材料吸波結構原理Fig. 9 Schematic diagram of the LC-based metamaterial absorber designed by Deng, et al

在上述2 類調諧方法中：調節幾何結構的方法制作難度低，但是可調頻帶范圍較窄，在實際環境中調頻不方便、難度大；利用非線性效應的方法，調頻范圍較廣且能夠根據外界環境的變化主動改變諧振頻率，在自適應可調超材料吸波方面有重要的意義，但如何提高調諧精確度是一項有待研究的課題。

2 電磁能量轉換

電磁能量收集的目的是吸收自由空間的電磁能量，并將吸收的電磁能量部分轉化為供微電子系統使用的電能。在第1 章“電磁能量吸收”中提及的超材料吸波器大都將吸收的電磁能量以介質損耗或表面電阻上的焦耳熱的形式消散，而電能整流處理的功能是將由電磁超材料吸收電磁波產生的交流電高效率地轉化為可供負載使用的直流電。由于電磁超材料吸波器吸收的電磁波功率、頻率不盡相同，故產生的交流電幅度、頻率等也有較大差異，這給電能整流處理增加了難度，同時為了使吸收的電能盡可能無損耗地從電磁超材料吸波層傳送到電能整流處理層，還應當使這兩層滿足阻抗匹配的條件。

Hawkes 等[35]在開口諧振環中嵌入Greinacher整流電路來整流吸波器中的感應電流，采用肖特基二極管構成電壓倍頻器進行升壓，提供給電阻性負載；通過對5×1 陣列超材料吸波器進行測試，測得最大轉換效率為36.8%，在阻性負載上得到了7.3 V的直流電壓。Duan 等[36]則將重點放在通過調節微帶傳輸線的結構參數來實現整流電路與超材料吸波層之間的阻抗匹配（見圖10[36]），在2.45 GHz和4.9 GHz 處滿足共軛匹配的條件，經實驗測算，在輸入功率密度為5 mW/cm2、頻率為2.45 GHz 的電磁波垂直入射的情況下，6×6 單元超材料吸波結構的電能收集效率可達66.9%。El Badawe 等[37]以每4 個超表面結構單元為1 組設計整流網絡（見圖11[37]），延長二極管導通時間以提高整流效率。此外，可用高靈敏度的CMOS 管整流電路代替簡單的RC 整流電路來綜合提高轉換效率[38-39]。

圖 11 El Badawe 等設計的整流網絡層結構Fig. 11 The layout of the rectifier network designed by El Badawe, et al

電磁能量在傳輸過程中不斷損耗，自由空間中待收集的電磁波功率通常不高，因此提高吸波器的電磁能量收集靈敏度對于提升轉換效率和增強實用性至關重要。陳田等[40]設計的匹配升壓網絡可提高系統的靈敏度，在同時進行四晶體管單元CMOS 電路改進后其能量收集整流器接收靈敏度為-30 dBm，經實驗測試，在915 MHz 電磁波作用下，可得到2.1 V 直流電，整流電路的轉換效率為44%。于坤[41]提出一種利用Bi2Te3熱電材料將電磁能量轉換為熱能再轉換為電能的方案，雖然其轉換效率不太理想，但是可避免在復雜電磁環境中實現阻抗匹配的苛刻條件，也不失為一個頗具價值的研究方向。

3 結束語

本文將電磁超材料吸波器按其工作頻帶和是否可調劃分為多頻段、寬頻帶和可調諧3 個類別，并綜述超材料吸波器的國內外研究現狀，歸納它們的吸波原理、設計實現方法、應用范圍以及優缺點。目前，將電磁能量轉換為直流電的主流思路是由微帶線和高靈敏度二極管或CMOS 管組成的整流電路將電磁感應電流整流升壓為可供負載利用的直流電；一種新思路是將吸收的電磁能量轉換為熱能再轉換為電能，其能量損耗相對較高，但無須實現嚴苛的阻抗匹配。

電磁超材料具有特殊的物理性質，打破了常規整流天線的諸多限制，且制備技術成熟，給自由空間的電磁能量收集帶來全新的發展。但目前大多數的超材料電磁能量收集與利用尚處于試驗階段。對于未來研究，作者提出以下兩大發展方向：

1）實現超材料吸波結構的自動調諧。現今大多可調諧超材料吸波結構的調諧方式須人為完成，比如改變介質板厚度，移動非固定部件，改變偏置電壓等，調諧代價高昂。如果超材料吸波結構能夠根據外界電磁波頻率的改變進行自動調諧，必將極大提高電磁能量收集的效率。

2）發展多功能型超材料結構。自由空間中不僅有電磁能量，還有聲波能量和熱能，而且目前對后者的收集研究已比較深入[42-43]。倘若能夠在電磁超材料結構上進行創新改造，使其能夠兼顧吸收周圍空間中的聲波能量和熱能，那么其應用會更加廣泛，實用性也會更強。

總之，要將電磁超材料的研究成果投入到大規模實際應用，使自由空間電磁能量收集產生更多且更經濟的工程效用，還需要在相關領域做綜合多種學科的深度探索和實踐。