基于等離子體超材料局部場調控特性的低頻吸波材料設計方法

王振旭 , 王甲富 , 熊鑫蒙 , 富新民 ,丁 暢 , 韓亞娟 , 孫 杉

(1. 空軍工程大學基礎部,西安 710051;2.蘇州實驗室,西安,710051;3.93160部隊,北京 100072)

對于雷達隱身技術而言,雷達吸波技術的研究是近年來最熱門的話題之一。作為一種重要而且高效的電磁隱身方法,雷達吸收材料不僅在軍事領域,如電磁干擾屏蔽和降低雷達反射截面方面得到了廣泛的應用[1-3],而且在民用領域,如太陽能采集、生物傳感、熱光伏和光電探測等方面也得到了廣泛應用[4-8]。傳統的雷達吸收材料,特別是磁性吸波材料(magnetic absorbers,MAs),一般由磁性金屬或鐵氧體納米顆粒分散在聚合物基體中,以此來實現對電磁波的高效吸收,但這遠遠不能滿足如今對低頻段以及大角度吸收等指標的要求。

超材料是由結構單元周期/非周期陣列而成的人工結構功能材料,通過人為設計結構單元,可以實現一些天然材料不可能或很難實現的奇特物理現象和效果,包括負折射率[9]、電磁波隱身[10]、逆多普勒效應[11]等。經過二十多年的發展,超材料已被廣泛應用于許多領域,如超級透鏡、隱形斗篷、完美吸收器等[12-14]。對于雷達吸波材料領域,由于超材料的高效吸波和靈活設計,吸波超材料一直都是國內外的研究熱點之一,在雷達隱身技術、圖像傳感、能量采集、熱發射控制等許多舉足輕重的領域得到了廣泛應用[15-17]。2008年,Landy等[14]設計了一種超材料“完美吸波體”,通過在背有銅條的電介質襯底頂部使用開口諧振環,實現了特定頻率下99%的超高吸收率。自此,吸波超材料開始得到廣泛關注與研究。研究人員設計了多種具有“金屬-介質基板-金屬”構型的吸波超材料,可以實現窄帶、雙帶和多頻帶吸波性能。該設計通過改變結構單元的幾何參數即可靈活調節吸收頻率以及吸收效率。然而,這種吸波超材料的帶寬太窄,制約了其在雷達吸波領域的進一步發展與應用。對于如何實現寬帶高性能吸波,研究者們想出了很多方法,并進行了大量的研究,包括集成多個諧振[18],引入三維結構[19]和利用人工表面等離激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)的色散調控[20-21]。然而,制約吸波超材料應用的2個關鍵問題仍亟待解決。一是大入射角下,吸收性能惡化;二是低頻吸收與低剖面、低重量之間存在矛盾制約。為了解決上述問題,學者們進行了大量的研究工作。文獻[22]提出了一種帶有折疊電阻片的三維結構吸波超材料,在3.6～11.4 GHz的頻段內,可以實現在75°大入射角吸收。文獻[23]提出了一個由非平面超材料和磁性微波吸收材料組成的2層吸波超材料,在2～18 GHz范圍內表現出90%的吸收率。如何將兩者優勢結合,設計不僅具有寬入射角吸收性能,而且在低頻段性能優異的吸波超材料,同樣具有重要的研究意義和廣泛的應用前景。

本文提出了一種基于等離子體超材料調控傳統磁性吸波材料內部磁場的方法,利用金屬短線調控磁場分布的特性,通過增強其與底層金屬底板之間整個局部空間的磁場強度,在其中加入傳統磁性吸波材料后,就能有效提升傳統磁性吸波材料的吸波性能,進而使整體結構在其工作頻段都具有較強的吸波性能。仿真實驗結果表明:垂直入射時,所設計的吸波超材料可在0.9～2.2 GHz頻段內實現高效吸收,入射角逐漸增大到60°時,90%的吸收帶寬仍可以達到0.73～3.12 GHz。該設計方法在雷達隱身、電磁兼容和通信等領域都具有較大的潛在應用價值。

1 原理分析

圖1為該等離子體吸波超材料的工作原理示意圖。根據法拉第電磁感應定律,當電磁波入射到吸波超材料時,在上層金屬線陣列的作用下,入射磁場將圍繞金屬短線形成環形磁場。由于下層金屬背板的存在和磁場的無源閉合特性,磁場將被局域在金屬線陣列層和金屬背板之間,因此,該處的磁場強度將得到顯著增強。在此空隙處引入磁性吸波材料,結合磁性吸波材料的高磁損耗,就會實現高效的電磁吸波性能。適當調節金屬線陣列層的幾何參數,就能在低頻段實現寬帶,寬角域的吸收效果。

圖1 原理示意圖

2 等離子體吸波超材料的設計方法

2.1 傳統磁性吸波材料的性能分析

圖2(a)為厚度3.0 mm的磁性吸波材料在TM極化波入射下,入射角為60°時的反射率曲線。圖2(b)為在TM極化波入射下,其入射角度從0°增加到85°時,該磁性吸波材料的反射率變化情況。在仿真時,x軸和y軸方向設置為unit cell,用來模擬仿真無限大尺寸的磁性吸波材料,同時,在z軸方向設置為open add space。根據阻抗匹配原理,該磁性吸波材料的反射能量R(ω)和透射能量T(ω)可以由仿真所得的S參數得出:即R(ω)=|S11|2,T(ω)=|S21|2,從而可以得到吸收能量的表達式為A(ω)=1-R(ω)-T(ω)=1-|S11|2-|S21|2。因為底層金屬背板的存在,透射能量T(ω)將在整個頻段范圍內等于0,因此吸收能量的表達式可以簡化為A(ω)=1-R(ω) =1-|S11|2,本文通過仿真得到的S11曲線分析該材料的吸波性能。由圖2(b)可知,只有在特定的角度范圍(62°～73°)和很窄的頻帶范圍(1.1～1.9 GHz)內,該磁性吸波材料的反射率才能達到-9 dB。由此可以看出,單一的磁性吸波材料很難滿足在實際應用中對吸收帶寬、工作角域以及吸收效率的要求。

(a)入射角為60°時的反射率曲線

(b)反射率隨入射角度的變化

2.2 等離子體吸波超材料結構單元設計

根據第2.1節對磁性吸波材料的吸收性能的分析可以發現,在實際應用中,僅磁性吸波材料本身是很難滿足吸收帶寬、工作角域以及吸收效率的要求的。因此,本文利用超材料的設計理念,設計相應的亞波長結構,并結合磁性吸波材料自身固有性能,以提高整體結構的吸收效率、拓展整體結構的吸收帶寬以及工作角域。

圖3為設計的等離子體吸波超材料的單元結構示意圖,可以看出,整體結構分為4層,其中,最上層為刻蝕在FR-4介質(相對介電常數4.3,損耗角正切0.025)上的金屬線結構,最下層為金屬背板,中間是空氣間隙和磁性吸波材料層。優化之后的結構參數如下:Px=32 mm,Py=2.5 mm,d1=3 mm,d2=6 mm,l=30.8 mm,w=0.4 mm。

(a)俯視圖

(b)正視圖

(c)側視圖

接下來使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 2018對該結構進行仿真。圖4(a)和圖4(b)分別為TM極化波入射下,垂直入射和入射角為60°時,磁性吸波材料與設計的吸波超材料的反射率曲線對比,其中藍色虛線為磁性吸波材料的反射率曲線,紅色實線為設計的吸波超材料的反射率曲線。通過對比可以看出,磁性吸波材料加載金屬線結構之后,整體結構的吸收性能得到了很大程度的提升:當垂直入射時,反射率大于-10 dB的帶寬拓展至0.9～2.2 GHz;當入射角度為60°時,吸收率超過90%的帶寬拓展至0.73～3.12 GHz,此時在1.9 GHz時,甚至達到了-38.3 dB。

(a)垂直入射

(b)入射角度為 60°

圖5為設計的等離子體吸波超材料的反射率隨入射角度增加而變化的仿真結果。相較于圖2(b)的傳統磁性吸波超材料的變化,等離子體吸波超材料的吸波效率明顯增強,工作角域也得到大大拓展。

圖5 設計的等離子體吸波超材料反射率隨角度增加而變化的仿真結果

此外,針對TE極化下的吸波性能做簡要分析。圖6(a)和圖6(b)分別是TE極化波入射下,垂直入射和入射角為60°時,磁性吸波材料與設計的吸波超材料的反射率曲線對比,其中藍色虛線為磁性吸波材料的反射率曲線,紅色實線為設計的吸波超材料的反射率曲線。可以看出,當TE極化波入射時,入射電場方向與上層金屬線垂直,由于在該方向,金屬線的幾何尺寸過小,不能有效激發表面電流,因此兩者的吸波性能幾乎相同。

(a)垂直入射

(b)入射角度為 60°

2.3 等離子體吸波超材料仿真結果分析

由上述分析可知,雖然磁性吸波材料本身有一定程度的損耗,但受到材料厚度、重量等限制,僅僅使用單一磁性吸波材料,其吸收性能并不能達到理想的效果。而對于損耗介質,其對電磁波的吸收可以表示為:

Ptotal=PE+PM=(1/2)ωε″|E|2+(1/2)ωμ″|H|2

(1)

式中:ω為角頻率;E為總的電場強度;H為總的磁場強度;ε″為介電常數的虛部,μ″為磁導率的虛部。由式(1)可以看出,當材料本身已經確定時,提高其所處位置的電場強度或者磁場強度,可以進一步提高其吸收效率。本文使用的磁性吸波材料,其損耗主要是源于對電磁波的磁損耗,所以利用超材料結構單元調控甚至增強吸波材料所處位置的磁場強度,就可以進一步提高整體結構的吸收性能。

當電磁波垂直入射到所設計的等離子體吸波超材料上時,電場沿著金屬線方向,將會激發沿著金屬線方向的表面電流,磁場則垂直于金屬線方向。由于磁場是一個有源場,因此在金屬線的調控下,將圍繞金屬線形成環形磁場。同時,由于金屬背板的存在,將會把磁場局域在金屬線結構和金屬背板之間,從而增強此處的磁場強度。為了驗證以上的設計理念,通過使用CST仿真軟件,分別監視了0.5 GHz和1.5 GHz處的表面電流分布和磁場分布,結果如圖7所示。可以很明顯地看出,由于入射的電場沿著金屬線方向,不論是在工作頻帶外(0.5 GHz)還是在工作頻帶內(1.5 GHz),都會激發沿著金屬線方向的表面電流,只是在工作頻段外即0.5 GHz時,所激發的表面電流較弱,與之相對應,圖7(a)和圖7(c)分別為0.5 GHz時的表面電流和磁場分布,可以看出,此時磁場在整個空間內呈現比較均勻的分布,即此時金屬線幾乎沒有起到對磁場的調控作用;如圖7(b)和圖7(d)分別為1.5 GHz時的表面電流和磁場分布,可以看出,在工作頻帶內,入射的電磁場在金屬線表面激發了較強的表面電流,而且由于金屬線和金屬背板的存在,使得磁力線被局域到了兩者之間,使得此處的磁場強度得到了明顯的增強,與我們的設計理念相符合。

(a)0.5 GHz表面電流分布

(c)0.5 GHz磁場分布

3 實驗驗證

為驗證設計的等離子體吸波超材料的吸收性能,利用印刷電路板工藝,加工制備了尺寸為640 mm×640 mm2實驗樣品,如圖8所示,樣品從上到下依次是:刻蝕有金屬線的FR4介質、厚度為6.0 mm的PMI泡沫層,厚度為3.0 mm的磁性吸波材料層以及金屬背板,并在微波暗室里對其進行測試。受限于標準增益喇叭天線的工作頻帶,起始測試頻率為1.0 GHz。垂直入射和斜入射60°時的測試結果與仿真結果的對比圖9所示。其中黑色曲線代表仿真結果,紅色曲線代表測試結果,顯然, 仿真結果和測試結果的趨勢比較吻合,但由于加工、測試等不確定性因素的影響,仿真和測試的結果略微有點差異,但誤差是在可以接受范圍內的,同時,這也驗證了我們設計方法的正確性。

(c)垂直入射

(d)斜入射60°

4 結語

本文提出了基于等離子體超材料調控傳統磁性吸波材料內部磁場的方法,利用金屬短線調控磁場分布的特性,通過增強其與底層金屬底板之間整個局部空間的磁場強度,在其中加入傳統磁性吸波材料后,就能有效提升傳統磁性吸波材料的吸波性能,進而使整體結構在其工作頻段都具有較強的吸波性能。仿真和實驗結果表明,垂直入射時,所設計的吸波超材料可在0.9～2.2 GHz頻段內實現高效吸收,入射角逐漸增大到60°時,90%的吸收帶寬仍可以達到0.73～3.12 GHz。該設計方法在雷達隱身、電磁兼容和通信等領域都具有較大的潛在應用。