基于超材料的多頻帶吸波器的設計與研究

李哲，高小優，王婷

(四川大學電子信息學院，成都610065)

0 引言

隨著現代電子通信技術的發展，保密通信、電子抗干擾技術已經得到重視。一些保密的電子設備經常輻射出攜帶重要信息的電磁波，一旦這些信息被截取和重現，就有可能造成科技、國防等方面的情報泄露，造成嚴重的信息安全問題，因此對電磁波吸波技術，電磁屏蔽技術的研究就顯得非要重要。傳統的吸波材料如石墨、鐵氧體、金屬粉末等在使用上有很多局限性，例如吸收頻帶窄、密度大、厚度厚、溫度穩定性差，加工成本高等缺點[1-3]。人工電磁超材料是理想的功能材料，一般指具有自然界材料不具備的超常物理性質的人工材料[4-5]。憑借其易加工，易集成等優異性能，在天線、傳感、成像、極化調制、電磁兼容、能量收集裝置、雷達隱身技術等方面得到了廣泛應用[6]。

本文設計的超材料吸波器本質上是一種結構吸波體，從下至上依次由金屬銅板、介質基板FR-4，以及表層的金屬諧振單元組成。當特定頻段的電磁波入射到吸波器表面時就會在諧振單元間產生復雜的電磁響應，從而把電磁能轉換成熱能由此達到吸波的目的。本文設計的超材料吸波器具有重量輕，厚度薄，容易加工，成本低，高吸波率的特點；此外研究表明該吸波器具有極化不敏感的特點以及0°至60°范圍內寬入射角的特點；吸波器有五個諧振峰，其中吸波率在90%以上的吸收峰有三個，另外兩個吸收峰的吸波率分別在75%以及和50%以上，由此實現了寬頻帶吸波。最后通過加工、測試驗證了仿真計算結果的正確性。

1 結構設計與仿真分析

1.1 結構建模

本文所設計的吸波器單元結構如圖1(a)所示，由下至上由底層金屬銅板、介質基板FR-4、以及銅材料的金屬諧振單元組成。使用的銅材料厚度皆為0.035mm，電導率為5.8×107S/m。介質基板FR-4的厚度t=1mm，相對介電常數εr=4.3，損耗角正切tanδ=0.025。其他尺寸為：p=8mm，g=0.25mm，a1=6.5mm，a2=7.8mm，w1=0.3mm，w2=0.3mm，w3=0.3mm，w4=0.4，c=4mm，m=5mm，b=0.2mm。整個吸波器結構單元可以看成是吸波結構A和吸波結構B組合而成，分別如圖1(b)，(c)所示。

(a)超材料吸波器單元

(b)吸波結構A

1.2 吸波率

吸波率A(ω)是吸波器吸波性能的重要指標，其計算公式為A(ω)=1-R(ω)-T(ω)。其中，反射率R(ω)=|S11|2，透射率T(ω)=|S21|2。由于超材料底部為金屬銅板，故穿過介質基板到達金屬板的電磁波發生全反射，即T(ω)=0。于是吸波率公式可以簡化為A(ω)=1-R(ω)。圖2(a)黑色曲線是吸波器的吸波率曲線，紅色虛線是吸波器的S11曲線。本文所設計的吸波器在4.18-4.252GHz、8.068-8.188GHz、11.736-11.9GHz的頻帶范圍內吸波率均達到90%以上，并且分別在4.216GHz、8.128GHz、11.816GHz三個諧振點處達到峰值，吸波率分別為98.37%、95.81%和99.31%；且相對應的頻率帶寬分別為72MHz、120MHz和164MHz。另外，在18.672-18.84GHz頻段內吸波器吸波率均在75%以上，在頻點18.756GHz處吸波率達到峰值80.47%，頻帶寬度為168MHz。而在頻段13.532-13.728GHz內吸波器吸波率均在50%以上，且在13.632GHz處達到峰值60.99%，相應的頻帶寬度為196MHz。

對所設計的吸波器的組合諧振單元做進一步的研究，如圖2(b)所示，可以得到結構A、結構B和吸波器的吸波曲線對比圖，可以看到吸波器的吸波曲線與結構A和結構B的吸波曲線并不重合，這是由于結構A與結構B之間電磁場的耦合造成的。結合吸波器的吸波率曲線分析不難發現，諧振峰1、3、4與結構A有關，而諧振峰2和諧振峰5與結構B有關。當把結構A與結構B組合在一起時觀察吸波曲線可以發現吸波器的吸波曲線相比于結構B的諧振峰2發生了紅移，而相對于結構A的諧振峰3則發生了藍移。同時，諧振峰4比起結構A吸波率得到了提高，吸波帶寬拓寬；諧振峰5相比結構B產生的諧振雙峰變成了諧振單峰，吸波率有所降低，但在峰值處吸波率仍有80.47%。

(a)吸波器的吸波率與S11曲線

(b)不同諧振結構的吸波曲線

1.3 吸波器能量損耗分析

電磁波被吸波器吸收后將會在表面諧振單元之間產生復雜的電磁響應，最后以熱能的形式實現能量的轉換。為了進一步探索吸波器的電磁波損耗機理，分別觀察吸波器五個諧振頻率處的電場分布。設f1=4.216GHz，f2=8.128GHz，f3=11.816GHz，f4=13.632GHz，f5=18.756GHz，從圖3(a)(c)(d)可以看到，在f1、f3、f4諧振頻率處的電場分布主要集中在吸波結構A的開口諧振環處，從圖3(b)(e)可以看到，在f2、f5諧振頻率處的電場分布主要集中在吸波結構B上，這也從能量轉換的角度更近一步證實了上述吸波曲線產生的諧振峰與吸波結構A、B的對應關系。另外觀察圖3的五個電場分布圖不難發現電場分布并不是完全集中在單個吸波結構A或者B中的，而是兩個結構耦合的結果。對于結構A主導的諧振頻率f1、f3、f4，圖3(a)(c)中，分布在結構B的電場較弱，但是在(d)中分布在結構B中的電場明顯較(a)(c)強，所以在圖2(b)中吸波器的吸波曲線與結構A的吸波曲線相比諧振峰3產生頻移，而在諧振峰4處吸波率和吸波帶寬都得到顯著改善。對于結構B主導的諧振頻率f2、f5，在圖3(e)中分布在結構A的電場強度比圖3(b)的情況強。于是呈現出圖2(b)中諧振峰2和諧振峰5變化的結果。這都是由于兩個吸波諧振結構A和B的電磁場耦合造成的。

(a)f1=4.216GHz

(d)f4=13.632GHz

1.4 極化敏感特性研究

為探索吸波器對電磁波的極化是否敏感，圖4給出了在電磁波垂直入射到吸波器表面時極化角φ(φ為電場E與+x軸的夾角)從0°到90°變化的吸波率曲線。可以看出，φ從0°到90°變化的所有曲線完全重合，從而說明吸波器具有極化不敏感的特性。這是由于我們設計的吸波器具有高度的旋轉對稱性導致的。

圖4 極化角φ對吸波率的影響曲線

1.5 寬入射角特性研究

實際應用中輻射的電磁波不都是垂直入射到我們的吸波器表面的，因此研究不同入射角度對吸波器的吸波率影響是有必要的。圖5(a)(b)分別是電磁波在TE和TM模式下不同入射角θ(定義為電磁波入射方向與吸波器表面法向的夾角)對吸波器吸波率的影響曲線。對TE模式而言，入射角的變化與吸波率成負相關，隨著入射角的增大吸波率總體而言降低，當θ在0°到45°內變化時，諧振峰1、2、3和5吸波率影響很小，諧振峰4吸波率略有減少，當θ變化到60°時，諧振峰1、2影響很小，其他諧振峰吸波率有所降低，但是θ變化到75°時各諧振峰吸波率顯著降低，吸波性能變差。對TM模式，入射角從0°到60°變化時諧振峰1、2、3、4、5的吸波率影響很小，當θ變到75°時諧振峰1、2、3吸波率顯著降低，諧振峰4、5吸波率得到增強；同時注意到隨著入射角θ變大，開始出現諧振峰6，并且諧振峰6峰值與入射角θ成正相關。因此，該吸波器不管是在TE模式還是在TM模式下，對于入射角θ在0°至60°范圍內變化均表現出良好的吸波特性，從而說明本文設計的吸波器具有寬入射角特性。

(a)TE模式下入射角θ對吸波率的影響

(b)TM模式下入射角θ對吸波率的影響

2 實驗驗證

仿真結果表明本文設計的吸波器具有五個吸收峰，且具有極化獨立和寬入射角的特性。為了驗證仿真結果的正確性，加工制作了一個25×25個單元，面積為200mm×200mm的吸波器，如圖6(a)所示，該吸波器總厚度為1.07mm。實驗使用了矢量網絡分析儀(AgilentN5230A)，兩根同軸線，一對雙脊寬帶喇叭天線(工作頻率范圍為1-40GHz)，三角支架等設備，并且采用弓形法測量吸波樣本的反射率。喇叭天線分別通過同軸線連接到矢量網絡分析儀的兩個同軸端口，一個作為發射器，另一個作為接收器，三角架用于固定吸波器樣本，以此來測量吸波樣本的反射率。整個實驗環境在微波暗室下進行，這是為了防止外界電磁波對實驗結果的干擾。最終實驗測試結果與仿真結果對比圖如圖6(b)所示，由此表明實驗結果與仿真結果基本上一致。

(a)吸波器樣品圖

(b)S11仿真與實測結果對比圖

3 結語

本文設計了一款多頻帶的超材料吸波器，該吸波器可以由吸波結構A與吸波結構B組合而成。仿真結果表明該吸波器在4.18-4.252GHz、8.068-8.188GHz以及11.736-11.9GHz頻段內吸波率高達90%以上，在18.672-18.84GHz頻段內吸波率在75%以上，在13.532-13.728GHz頻段內吸波率在50%以上。并且分別在4.216GHz、8.128GHz、11.816GHz、13.632GHz、18.756GHz五個諧振峰處吸波率達到98.37%、95.81%、99.31%、60.99%和80.47%。接著通過對吸波器電場分布的研究進一步證實了五個吸波諧振峰與吸波結構A和B的對應關系。然后又對吸波器做了極化敏感性分析和寬入射角特性分析，結果表明該吸波器極化不敏感，并且具有60°范圍內寬入射角的特性。最后實驗測試了吸波器樣本的反射率，實驗結果與仿真結果大致吻合，驗證了仿真結果的正確性。