輕質花形超材料寬帶吸波器

文慧鵬,呂曉龍,郭云勝

(內蒙古科技大學 理學院,內蒙古 包頭 014000)

超材料是一種依據電磁理論設計出來的特異性材料,通常由亞波長結構單元按周期或有規律的非周期方式排列組合而成,可以有效地吸收特定頻段的電磁波[1-2]。2008 年Landy 等[3]首次提出利用開口諧振環和金屬條作為單元結構的超材料對微波頻段的電磁波實現完美吸收,研究人員用等效電路對其吸收機理進行了詳細分析[4]。之后,Guo 等[5]設計了一種簡單拓撲結構超材料,在金屬板上放置介質顆粒即可實現對可見光的完美吸收。另外,由氧化銦錫電阻膜[6]、FR-4 與金屬諧振結構[7]組成的超材料吸波器也實現了各自工作頻段的完美吸收。然而,上述超材料吸波器的吸收頻帶較窄。為拓寬吸收帶寬,面內多諧振結構[8-9]、多層復合結構[10]以及全介質共振結構[11]等多種超材料吸波結構應運而生。但是,受諧振吸收機理的制約,這些結構的吸收帶寬依然有限。

與介電材料相比,磁性材料的折射率較大,并存在磁損耗和介電損耗兩方面的耗散特性。因此,基于磁性材料制作的吸波器在拓寬吸收帶寬等方面具有一定優勢[12-13]。但是,這些吸波器在重量和厚度等方面存在不足[14-15]。本文提出一種由磁性復合材料吸波片制作的花形超材料吸波器,不僅可以拓展吸波片本身的帶寬,還能顯著降低吸波片的重量,可進一步拓寬吸波片在電磁隱身領域的應用。

1 結構優化和反射損耗

圖1(a)是綿陽西磁科技有限公司生產的磁性復合材料吸波片,電磁參數的測試結果如圖1(b)所示。吸波片在低頻段具有較大的磁導率虛部,高頻段具有較大的介電常數虛部,它們在各自的工作頻段都可吸收一定程度的入射電磁波。對于有金屬背板的磁性復合材料吸波片,其諧振吸收頻率符合如下關系[16]:

圖1 (a) 磁性復合材料吸波片;(b) 吸波片的電磁參數;(c) 反射損耗隨吸波片厚度變化Fig.1 (a) Magnetic composite absorber;(b) Electromagnetic parameters of the absorber;(c) Reflected loss with absorber thickness

式中:t、f和c分別表示吸波片的厚度、諧振吸收頻率和光速;εr和μr分別表示吸波片的復介電常數和復磁導率。對于有金屬背板的吸波材料,反射損耗能夠反映其吸波性能。本文采用的磁性復合材料吸波片的反射損耗隨厚度變化的關系如圖1(c)所示,隨吸波片厚度的增加,反射損耗峰逐漸向低頻方向移動,峰值也逐漸減小。當吸波片的厚度t=3 mm 時,反射損耗峰最小,為-37.5 dB,吸收頻帶較窄(對應于反射損耗小于-10 dB);當厚度t=1.5 mm 時,吸收頻帶變寬,能在4.3～5.9 GHz 頻率范圍內實現高效吸收。然而,受厚度因素影響,吸波片的吸收帶寬有限。

鑒于超材料吸波單元能夠對吸波頻段進行調控[17],利用COMSOL Multiphysics 軟件在磁性復合材料吸波片的基礎上設計了如圖2 所示的花形鏤空超材料吸波單元。吸波單元周期為a,吸波片厚度為d=3.18 mm,金屬銅板厚度為0.1 mm,花瓣鏤空部分的兩個橢圓的長半軸與短半軸分別為r1和r2。設置周期性邊界條件,電磁波沿z方向垂直入射到吸波單元表面。

圖2 花形超材料吸波器結構單元。(a)正視圖;(b)立體圖Fig.2 Structure of flower-shaped metamaterial absorber unit cell.(a) Front view;(b) Three-dimensional diagram

分別對周期為10,11,12 和13 mm 的吸波單元進行優化,固定橢圓短半軸r2=2 mm,對橢圓長半軸r1進行參數化掃描,結果如圖3 所示,吸波單元的反射損耗趨勢相似,均出現一個反射損耗峰,并且隨長半軸r1增加,峰值逐漸減小。當單元周期為10 mm,長半軸r1為6.3 mm,頻率為7.6 GHz 時,反射損耗最小,為-14.6 dB,且在6～ 18 GHz 頻率范圍內實現90%以上的吸收。同時,反射損耗峰隨長半軸r1的增加逐漸向高頻移動,但當結構單元周期變大時,反射損耗峰向高頻移動的幅度逐漸減小。優化后的吸波單元可分別在5.4～18,5.2～18,4.9～18 和4.6～18 GHz 頻率范圍內實現90%以上的吸收。當單元周期為13 mm 時吸收帶寬達到最大,為13.4 GHz。

圖3 超材料結構單元周期隨r1變化的反射損耗。(a) 10 mm;(b) 11 mm;(c) 12 mm;(d) 13 mmFig.3 Reflection loss of metamaterial structural unit cell period with r1.(a)10 mm;(b)11 mm;(c)12 mm;(d) 13 mm

綜上所述,花形鏤空結構可以使吸波片具有良好的寬帶吸收效果。當結構單元a為13 mm,r1為8.3 mm,r2為2 mm 時,吸收帶寬能達到最大。與傳統的磁性復合材料吸波片相比,吸收帶寬的頻率范圍由4.3～5.9 GHz 變為4.6～18 GHz,吸收帶寬擴大11.8 GHz。因此,花形鏤空結構可以顯著拓展吸波片的吸收帶寬,也在很大程度上減輕了吸波片的重量,更加利于實際應用。

2 寬帶吸收機理

吸波器的吸收率A是由反射率R和透射率T共同決定,即A=1-R-T。減小材料的反射率和透射率,可以提高吸收率。對于有金屬背板的吸波器,透射率T為0,A可以用反射損耗S11表示為:

當吸波器對電磁波的反射越小,其吸收能力就越強,反射率為0 時吸收率達到最大。

阻抗是影響吸波器反射大小的重要因素[15],利用反射損耗S11和等效阻抗Zeff的關系式,對反射損耗最小的吸波結構單元(a=10 mm,r1=6.3 mm,r2=2 mm)進行阻抗反演[18]:

得到吸波單元的等效阻抗如圖4 所示,在6～18 GHz 的頻率范圍內,吸波器的等效阻抗實部和虛部分別在0.6～0.75 和-0.35～-0.2 范圍內波動。在反射損耗峰值處的等效阻抗Zeff=0.73-0.18i,其實部接近1,虛部接近于0。所以,優化花形鏤空結構能使吸波單元的等效阻抗接近自由空間阻抗,減少了對電磁波的反射,增強了吸波器的吸收效果。

圖4 花形鏤空超材料吸波器的等效阻抗Fig.4 Equivalent impedance of the flower -shaped hollow metamaterial absorber

為進一步探究結構單元的吸波機理,圖5 給出反射損耗最小的電阻損耗、磁損耗和總功率損耗分布云圖。由圖可知,吸波單元的總功率損耗主要集中在花形鏤空結構的邊緣,呈明顯的對稱性;電阻損耗集中分布在花瓣葉尖上;磁損耗集中分布在花瓣葉尖以外的花瓣邊緣。總功率損耗分布與磁損耗分布相似,吸波單元的吸收主要取決于磁損耗。因此,花形鏤空結構可以將電磁能量更好地耗散在花形鏤空邊緣,從而增強對入射場能量的吸收。

圖5 花形鏤空超材料吸波器的功率損耗。(a) 電阻損耗;(b) 磁損耗;(c) 總功率損耗Fig.5 Power loss distribution of flower -shaped hollow metamaterial absorber.(a) Resistance loss;(b) Magnetic loss;(c) Total power loss

3 實驗與分析

為驗證花形鏤空結構的寬帶吸收效果,制作反射損耗最小的花形鏤空超材料吸波器,如圖6(a)。使用紫外納秒精密切割機對大小為20 mm×20 mm 的磁性復合吸波片進行雕刻,將雕刻好的吸波片附著在銅板上,采用自由空間法對制作好的超材料吸波器進行測試。測試系統和吸收率的實驗及仿真結果如圖6(b)所示。曲線d和e 分別為花形鏤空超材料吸波器吸收率的測試及仿真結果,f為磁性復合材料吸波片吸收率的測試結果。對比結果發現,吸波片的吸收帶寬只有1.6 GHz(吸收率超過80%),而花形鏤空超材料結構能使吸波片在5.4～18 GHz 的頻率范圍內實現吸收,吸收帶寬可達到12.6 GHz。與單獨的吸波片相比,花形鏤空超材料結構拓寬了吸收帶寬,并使吸收帶寬內的吸收效率提高了20%。然而,受加工精度影響,結構單元的尺寸發生了微變,因此花形鏤空超材料吸波器的實驗結果與仿真結果在高頻時的差異較大。另外,將花形鏤空超材料吸波器與表1 所示的其他已發表文獻提到的寬帶吸波器相比,花形鏤空超材料吸波器在較低頻段的吸收頻帶較寬,厚度比絕大多數超材料吸波器薄。另外,不同于傳統“三明治” 結構或多層金字塔堆疊結構,花形鏤空結構簡單易制作。所以,基于花形鏤空結構制作的吸波器在電磁隱身領域內的應用更具有優勢。

表1 微波區寬帶超材料吸波器的性能對比Tab.1 Performance comparison of broadband metamaterial absorbers in the microwave region

圖6 (a) 樣品及測試系統;(b) 花形超材料結構的吸收率及吸波片的吸收率Fig.6 (a) Sample and test system;(b) Absorption rate of flower-shaped metamaterial structure and absorber

4 結論

本文設計了一種輕質寬帶超材料吸波器,該吸波器能夠通過調節吸波單元的結構參數優化自身的等效阻抗,與自由空間阻抗實現匹配,減少吸波器對電磁波的反射,使入射場能量更好地耗散在吸波器中,從而實現寬帶吸收。仿真結果表明,當吸波單元的周期為10 mm,吸波片的厚度為3.18 mm,花形鏤空結構的長短半軸分別為6.3 和2 mm 時,吸波器可在5.4～18 GHz 的頻率范圍內實現高效吸收,帶寬達到12.6 GHz。通過實驗進一步驗證,吸收帶寬和效率與仿真結果基本吻合。花形鏤空結構簡單易制作,在拓寬吸收帶的同時,還可以減輕吸波器的重量,這可為寬帶超材料吸波器的研發提供新的思路,對未來電磁吸波領域裝備的研發具有借鑒作用。