變容二極管串聯制備寬帶可調諧磁性吸波超材料

姚駿馳, 李 維

(武漢理工大學 材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430070)

作為21世紀最重要的科技成果之一,超材料概念的提出對物理、材料、光學、聲學等各領域都產生了巨大的影響[1-3]。超材料吸波器(metamaterial absorber,MMA)優越的吸波性能在隱身、無線通信和電磁兼容等方面具有重要的應用,引起了學者們廣泛的關注[4-6];但由于MMA固有的共振吸收機制,吸收帶寬通常較窄,因此極大地限制了它的應用范圍。為了拓寬MMA的吸收帶寬,研究者們提出了多種方法,例如,采用縱向多層疊加[7-9]或面內單元集成[10-12],通過拼接不同諧振單元產生的共振吸收峰,能夠拓寬MMA的吸收帶寬。此外,將MMA與磁性吸波材料結合形成的復合超材料吸波器 (composite metamaterial absorber,CMMA)[13-15],能夠同時具備MMA和磁性吸波材料的雙重吸波性能,也是拓寬MMA吸波帶寬的一種有效方法;但是,由于被動式吸波材料不能違反材料參數色散規律,如Kramers-Kronig關系[16],因此對被動式吸波材料的固有帶寬存在限制。

近年來,主動式超材料在受到外界刺激時電磁參數可調,理論上能夠突破被動式吸波材料的帶寬限制[17-18],因而吸引了越來越多研究者們的興趣。為了實現MMA的可調諧性能,研究者們提出了不同的方法,例如通過外加應力的作用改變單元結構的機械可調型超材料[19-20],以及通過外加磁場或者溫度場作用改變材料電磁參數的磁可調型和熱可調型超材料[21-24]。除了以上調諧策略外,將變容二極管、電阻或電感等電子元件嵌入到超材料結構中的電可調型超材料因具有設計靈活、頻率適應性好、調諧速度快等優點而被廣泛研究[25-29],但是集總元件的參數變化范圍有限,使得基于電路的MMA的調諧帶寬受到很大的限制。為了拓展電可調型MMA的調諧帶寬,Wu等[30]制備了一種復雜的基于電路的MMA,使用變容二極管實現了多個可調諧吸收波段,并使用PIN(空穴型半導體-本征半導體-電子型半導體結構)二極管將這些波段進行拼接,實現了連續寬頻可調,吸收頻率為2.80～4.95 GHz。Yang等[31]通過在相鄰單元間插入集總元件,并在各自頻率范圍內調節共振吸收峰,擴展了調諧帶寬,吸收頻率為1.86～3.31 GHz。雖然可調MMA具有廣闊的發展前景,但目前所獲得的可調帶寬仍然有限。

本文中將磁性吸波材料與可調諧MMA集成, 利用串聯變容二極管策略擴展MMA的調諧帶寬, 制備了寬帶可調諧CMMA。 設計方法基于CMMA的概念和物理學的等效電路, 將集總元件的物理參數和金屬單元的幾何尺寸與MMA的性能聯系起來。 由等效電路的推導可知, 變容二極管串聯可以擴展單個變容二極管的參數, 從而拓展MMA的調諧能力, 使CMMA在低頻段具有更大的可調諧帶寬。

1 設計與分析

1.1 CMMA的設計及等效電路模型

從電路的角度來看, 通常由金屬導線構成的吸波超材料單元類似于電阻(R)、 電感(L)、 電容(C)組成RLC諧振電路, 這些金屬導線即為電路中的電感、 電容和電阻, 因此, 與RLC諧振頻率相對應的MMA的吸收峰頻率取決于MMA金屬部分的幾何特征。 MMA中的金屬導線結構具有特定的阻抗, 能夠傳輸電流和微波, 從而限制其周圍的電磁場, 所以由金屬導線單元組成的MMA可以與傳統磁性吸波材料結合, 形成兼具2種組分吸波頻段的CMMA, 導線狀吸波超材料的場約束保證了RLC諧振不會對周圍介質產生干擾。 基于這一思想, 本文中設計了如圖1(a)所示的CMMA, 其結構由3層磁性吸波材料和帶有H型單元的吸波超材料組成, MMA單元位于厚度為2 mm的玻璃纖維環氧樹脂覆銅板(FR-4)介質上。通過遺傳算法[32]計算得到3層磁性吸波材料的厚度分別為1.7、 1.7、 3.6 mm。由于金屬導線結構與入射電磁波相互作用產生了強烈的電共振,電場集中在金屬細線結構周圍,因此保證了MMA部分的強吸收。使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio TM對CMMA結構單元進行建模仿真,在仿真單元的兩側應用端口邊界條件,沿z軸方向激發電場矢量垂直于傳播方向(TE)電磁波,模擬結果如圖1(b)所示。CMMA在頻率0.56 GHz處有一個強吸收峰,同時在頻率2～18 GHz內具有寬帶吸收,因此,所設計的CMMA具有磁性吸波材料和MMA的雙重吸波性能。

H、 E、 k—入射電射波的磁場分量、 電場分量、 入射方向;p—超材料單元周期; h—超材料單元高度;t—介質高度;w1、 w2、 w3—H型單元的幾何參數。(a)復合超材料的結構

(b)模擬復合超材料的吸收曲線圖1 復合超材料的設計結構及模擬吸波性能

為了將變容二極管引入CMMA結構中使其可調,首先分析CMMA的等效電路。根據圖2(a)所示的表面電流分布可以推斷,由于中間金屬導線與入射微波的電場平行,電流是直接感應到中間金屬導線上的,因此可以將其當作電感器。同時,電流自上往下流動,形成左、右2條閉合回路,電荷在上、下橫向金屬導線上積聚,形成了沿-z和+z方向上相反相位的電場,表明了上、下橫向金屬導線與金屬背板之間形成了串聯的2個電容器。根據以上分析,推導出等效電路如圖2(b)所示,其中R1和R2分別是電容器和電感器的電阻。利用CMMA的幾何參數, 計算出等效電路中結構電容C=4.35 pF,電感L=19.7 nH。LC諧振頻率fr的定義為

(1)

E、 H—入射電磁波的電場分量、 磁場分量。(a)表面電流分布

C、 L—等效電容和電感; R1、 R2—等效電阻。(b)等效電路圖2 表面電流分布及等效電路的建立

將L和C代入式(1),計算出諧振頻率fr=0.54 GHz, 與數值模擬的值吻合較好。從計算過程來看,fr主要由CMMA的幾何參數決定,而這些參數不能實時調節,因此,在引入集總元件(如變容二極管)之前,CMMA的性能是不可調的,需要根據電路模型引入集總元件來設計可調諧CMMA。

1.2 變容二極管串聯設計

由于MMA與電子電路具有相似性,因此電子元件被廣泛地應用到MMA的設計中以拓展吸波性能,并賦予MMA主動可調的特性。變容二極管具有電容值可調并且體積小的特點,因此成為嵌入MMA單元的理想電子元件。本文中設計的等效電路是由CMMA的幾何結構與入射波之間的相互作用推導出的,由此推斷,可以相應地將變容二級管插入電路中,并通過改變變容二極管的電容Cv來實現CMMA的帶寬調諧。根據該思想繪制出相應的等效電路圖,如圖3(a)所示,由此計算出該電路的諧振頻率為

(2)

C、 L—等效電容、 電感; R1、 R2—等效電阻;Cv—變容二極管的電容。(a)等效電路

k—電磁波的入射方向; E、H—入射電磁波的電場分量、 磁場分量。(b)可調復合超材料結構圖3 單個變容二極管的超材料等效電路模型及結構

圖3(b)為嵌入變容二級管的可調諧CMMA的結構示意圖,圖中黑色立方體代表變容二極管。

根據式(2)計算fr隨Cv的變化,結果如圖4(a)中的紅線所示。從圖中可以看到,當Cv較小時,fr變化較快,而當Cv接近結構電容C時,fr變化緩慢。本文中使用的變容二極管型號為SMV2020-079LF,其調節范圍為0.35～3.2 pF。本文中模擬了fr隨Cv的變化曲線,并與計算結果進行對比,如圖4(a)所示。由圖可以看出,計算值與數值模擬值的變化趨勢相同,兩者的差異隨著Cv的增大而逐漸減小。在RLC電路模型中忽略了變容二級管的寄生電感和電阻,同時變容二級管嵌入到MMA中會對其結構電感L產生一定的影響。如果將所有的影響因素都考慮在內,電路模型將會變得很復雜,因此,本文中設計的等效電路模型進行了簡化,導致計算結果與仿真結果之間存在一定的差異。圖4(b)模擬了CMMA在Cv最大值和最小值處的吸收性能,實際上吸收峰在兩者之間是連續調諧的。隨著Cv的增大,CMMA的諧振頻率fr向低頻移動,而高頻吸收特性幾乎不受影響。

(a)fr與Cv的關系

(b)模擬復合超材料的吸波性能圖4 變容二極管電容值Cv對諧振頻率fr的影響及模擬復合超材料的吸波性能

由以上結果可知,引入的變容二級管使CMMA的吸收峰在頻率0.7～1.5 GHz內連續變化。由圖4(a)可知,fr隨Cv呈非線性變化,其中紅色箭頭表示變容二級管的實際調節范圍。當Cv在0.35～3.20 pF內變化時, CMMA的頻率由1.17 GHz減小到0.7 GHz,調諧帶寬為0.47 GHz。為了達到寬頻帶的調諧范圍,所選擇的變容二極管應具有較小的電容,但是現有的商用變容二極管的電容通常較大,變化范圍窄,極大地限制了基于變容二極管的MMA的可調諧性。根據相關電路理論,將2個相同的變容二級管串聯起來可以顯著減小電容,此時的等效電路如圖5(a)所示,該等效電路的諧振頻率計算公式變為

(3)

圖5(b)為嵌入2個變容二級管的可調諧CMMA結構示意圖,圖中2個黑色立方體表示2個相同的變容二級管。嵌入2個變容二極管的CMMA在不同Cv時的吸收性能模擬結果如圖5(c)中的虛線所示,并與嵌入單個變容二級管的CMMA的性能進行比較。從圖中可以看到,變容二極管串聯之后,CMMA的吸收峰頻率在0.8～1.5 GHz范圍內移動,調諧帶寬為0.7 GHz,而嵌入單個變容二級管的CMMA的調諧帶寬為0.47 GHz,證明了通過變容二級管的串聯設計可以擴大CMMA調諧范圍。此外,圖4(b)模擬了變容二極管串聯的CMMA在頻率0～18 GHz時的吸收光譜, 可以看到,CMMA的高頻吸收性能幾乎不受影響。

C、 L—等效電容和電感;R1、 R2—等效電阻; Cv—變容二極管的電容。(a)等效電路

k—電磁波的入射方向;E、 H—入射電磁波的電場分量和磁場分量; g1、 g2—金屬縫隙寬度、 2個電容器之間的距離。(b)雙變容二極管復合超材料結構

(c)低頻吸波性能圖5 雙變容二極管復合超材料的等效電路、 結構及低頻吸波性能

2 制備與測試

為了驗證串聯變容二級管的可調諧CMMA的吸收性能,制作了邊長為600 mm的正方形原型樣品,如圖6(a)所示。磁性吸波材料是由吸收劑和丁腈橡膠制備而成。底層吸收劑使用牌號為YW2的羰基鐵粉2 kg,加入攪拌磨的磨筒中,物料與磨球的質量比(料球比)為2∶27,同時加入3 L無水乙醇,攪拌磨轉速為280 r/min,研磨9 h,然后出料、抽濾、烘干。中間層和面層的吸收劑使用相同牌號的羰基鐵粉400 g,加入球磨罐中,料球比為1∶10,干磨1 h,然后篩分。3層磁性吸波材料分別按一定的吸收劑與丁腈橡膠的質量比進行混合, 分別在煉塑機中反復混煉,然后將混合料通過輥輪展平得到磁性貼片材料,最后將磁性貼片材料用硫化機在140 ℃下硫化8 min成型。用DCD3800型雕刻機在面層磁性吸波材料上雕刻出深度為2 mm的工字型溝槽。 采用印刷電路板(PCB)工藝獲得所設計的金屬圖案,并將變容二極管焊接到MMA結構中,使用雕刻機制備出鏤空結構,然后將MMA嵌入到之前制備的磁性吸波貼片中即可獲得可調諧CMMA。

(a)可調復合超材料實物

(b)低頻吸波性能

(c)高頻吸波性能圖6 可調復合超材料的實物與電磁波吸收性能

在微波暗室中使用矢量網絡分析儀(Agilent N5230A型,美國安捷倫公司)測試樣品的電磁波吸收性能。將反向偏置電壓從0 V調整到40 V,CMMA的吸收峰頻率從0.8 GHz逐漸移動到1.5 GHz, 如圖6(b)所示。圖6(c)所示為CMMA在頻率2～18 GHz內的電磁波吸收性能。 測試結果表明, CMMA的吸收峰在頻率0.8～1.5 GHz范圍內連續可調, 同時在2～18 GHz頻段內吸收率超過80%, 驗證了所設計的CMMA具有寬帶可調的吸收性能, 說明基于等效電路的可調諧MMA和磁性吸波材料相結合的策略在擴展帶寬方面是成功的, 吸波帶寬覆蓋了0.8～18 GHz的大部分頻段。

3 結論

本文中設計、制備了吸收頻率覆蓋0.8～18 GHz的超寬帶CMMA。根據入射波與MMA單元的相互作用建立了相應的等效電路模型,用于指導可調諧MMA的設計。在MMA結構中,根據等效電路模型加載變容二極管,使吸收峰在頻率0.7～1.17 GHz內連續變化,之后通過將變容二極管串聯,使得頻率調諧頻率擴大到0.8～1.5 GHz,并利用磁性吸波材料實現了帶寬為2～18 GHz的寬頻吸波性能,為設計、制備寬帶可調諧超材料提供了一種通用的方法,在電磁波吸收材料和智能材料等領域具有重要的應用價值。