《电子技术应用》

基于超材料的宽带高吸收率吸波器研究

2017年电子技术应用第12期 作者:于榭彬,宋耀良,范事成
2017/12/30 17:00:00

于榭彬,宋耀良,范事成

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京210094)


    摘  要: 设计了一种加载集总电阻的宽带高吸收率超材料吸波器,并且对其进行仿真和实物测试。仿真结果显示,该超材料吸波器在8.4~13.6 GHz的频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为47.3%;在10.3~13.1 GHz频率范围内有超过99.9%的吸收率,相对吸收带宽为23.9%。在工作频段内,该吸波器对于宽入射角的入射波依旧能保持较高的吸收率,最后利用吸波器表面电流和电场分布对吸收机理进行了分析。所设计的宽带高吸收电磁超材料吸波器在X波段雷达、电磁隐身等方面有着巨大的潜在应用。

    关键词: 超材料吸波器;宽频带;高吸收率;集总电阻

    中图分类号: TN972+.44

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171412


    中文引用格式: 于榭彬,宋耀良,范事成. 基于超材料的宽带高吸收率吸波器研究[J].电子技术应用,2017,43(12):89-91,95.

    英文引用格式: Yu Xiebin,Song Yaoliang,Fan Shicheng. Research on broadband and high absorption absorber based on metamaterial[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):89-91,95.

0 引言

    吸波材料是能够将入射到其表面的电磁波转换成其他形式能量的一类材料,通过减少透射和反射,展现出吸波特性。根据不同的吸波机理,吸波材料可以分为很多种。超材料作为一种人工电磁材料,具有自然界常规材料所不具有的超常物理特性,其中超材料吸波器(metamaterial  absorber)在近几年得到广泛关注。TAO H等人利用改进的单元结构制备出了作用于太赫兹波段的吸波材料[1]。LEE J等人利用较为复杂的单元结构实现了双频带的超材料吸波器[2]。现如今,单一频点和多频点的吸波器已经逐渐不能满足复杂的电磁波环境的应用需求,因此,宽带电磁超材料吸波器[3-8]越来越受到工程研究人员的重视,各式各样的宽带超材料吸波器也不断被设计出来,宽带吸波器的发展迎来了高峰。

    本文通过加载集总电阻,设计了一种工作在X波段的超材料宽带高吸收率吸波器,而且其结构简单,易于生产加工。利用电磁仿真软件对吸波器进行仿真得出,对于8.4~13.6 GHz频率范围内的入射波有着90%的吸收率,在10.3~13.1 GHz频率范围有着99%的吸波率。在其吸波带内,对于入射波能实现宽入射角的吸收效果。

1 超材料吸波器的原理和设计

    等效媒质理论[9-12]是常用的超材料吸波器的设计指导。吸波器的吸收率可以表示为:

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    当反射率尽可能小时,吸收率达到最大。反射率|S11|2的大小取决于吸波器表面阻抗与自由空间波阻抗的匹配程度。假设自由空间的波阻抗为Z0,吸波材料的阻抗为Z1,则反射系数为:

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    本文设计的超材料吸波器单元遵循典型的3层结构,上层为开口金属环加载集总电阻,中间层采用有损耗的FR-4介质基板,底层为全金属背板,其单元结构如图1所示。开口环和背板均采用金属铜,电导率为σ=5.8×107 S/m,介质基板的介电常数为ε=4.3 ,损耗角正切为td=0.025 。全金属背板可以有效防止透射。开口金属环为外方内圆结构,开口处加载了2个集总电阻。在电磁波入射时,通过电阻的欧姆损耗可以有效地将入射电磁波的感应电流能量耗散掉,实现对入射波的吸收最大化。同时,该吸波器在大入射角的情况下依旧能保持高吸收率。

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    利用商用的电磁仿真软件CST Microwave Studio对建立的吸器模型进行参数优化,最终得到的结构参数如下:晶格常数P=14.2 mm,金属环边长L=9.5 mm,内圆弧半径R=3.8 mm,开口宽度w=1.7 mm,加载的电阻r=270 Ω,FR-4基板的厚度d=3 mm,铜膜的厚度为0.035 mm,方便生产加工,开口金属环和底板入射波的电场沿y轴方向,磁场沿x轴方向,波矢量沿-z轴方向。仿真得到的该吸波器的吸收率如图2所示。由图可知,吸波器的工作频段基本覆盖X波段,90%吸波率频带为8.4~13.6 GHz,相对吸波带宽为47.3%,99%吸波率带宽为10.3~13.1 GHz,相对吸波带宽为23.9%。

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2 仿真分析和原理阐述

    下面分析吸波器在斜入射条件下的吸收效果。图3所示为吸波器在TE极化模式(电场E方向保持不变,磁场H方向改变)下,吸收率变化的曲线。可以看出当入射角在不超过45°的范围内,90%吸波带宽变化不大,但是吸波带随着入射角的增大有明显的蓝移现象。这是因为随着入射电磁波角度的增大,入射波的磁场分量激励起的表面电流变小,电流路径变短,谐振点往高频移动,所以宏观表现为吸波带蓝移。当入射角达到45°时,整个吸波带内的吸收率下降开始加快。总体来说,吸波器对于45°内斜入射电磁波有着良好的吸波效果。

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    为了阐述宽带吸收效果产生的原理,对吸波器的表面电流分布进行分析。图4为吸波器吸收峰值频率 f=12.7 GHz处的吸波器表面电流分布,箭头方向代表电流的流向,箭头疏密程度反应了表面电流的大小。对于吸收峰值频率f=12.7 GHz处,可以看到在谐振时,金属环表面的感应电流要明显高于底板,这是因为入射波的电场分量在金属环上激起了电谐振。金属环上的感应电流和背板上的感应电流方向相反,形成了等效环流,这说明入射电磁波的磁场分量在金属环和底板之间产生了磁谐振,强烈的电磁谐振使得吸波器对入射波实现完美吸收。

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    进一步分析电场的分布,如图5所示。电场分布表明,入射电磁波的电场分量与金属环产生了电偶极子响应,在外电场的驱动下,电场主要集中在金属环上。对于吸收峰值频率f=12.7 GHz处,金属环上下部分内外两侧存在少量能量损耗,而大部分能量在金属环开口处和加载的集总电阻上以金属损耗和欧姆损耗的形式被消耗掉。

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3 实验

    为了验证吸波器的吸波效果,依照经过CST仿真优化过的结构参数加工出有限单元大小的吸波器实验样品,尺寸为284 mm×284 mm,一共有20×20个单元结构,如图6所示。实验样品采用有损耗的FR-4介质基板,厚度为3 mm,介电常数为ε=4.3。表面金属环和背板均采用金属铜,厚度为0.035 mm,电导率为σ=5.8×107 S/m。加载的集总电阻采用0603封装的贴片电阻,阻值为r=270 Ω,尺寸为1.6 mm×0.8 mm×0.4 mm,正好契合金属环开口大小,方便焊接。在微波暗室中,采用自由空间测试法,如图7所示,使用Agilent N5244A矢量网络分析仪,输出端连接一个1~18 GHz的宽带双脊喇叭天线,输入端分别连接6~8 GHz、8~12 GHz、12~14 GHz的矩形喇叭天线对实验样品进行测试。把待测的实验样品放置在微波暗室中间,收发天线对称放置,且与吸波器的法线夹角很小,可以忽略。测试结果如图8所示。

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    根据实验结果可以看出,吸波器实验样品在频率  8.00~13.2 GHz 波段吸收率高于 90%。吸波带整体有一定的红移现象并且吸波峰值略低于仿真值,这可能是实验样品的加工存在误差和测试系统的精度不足导致的。此外,用20×20个单元结构模拟无限大周期结构也会对实测结果产生影响。

4 结论

    本文设计了一种加载集总电阻的金属环形宽带高吸收率电磁超材料吸波器,90%吸波频带8.4~13.6 GHz,相对吸波带宽47.3%;99%吸波率带宽为10.3~13.1 GHz,相对吸波带宽为23.9%。工作频段基本覆盖了X波段。其厚度仅为最大工作波长的6%,实现了超薄的设计要求。通过仿真研究可以看到,在工作频带内,该吸波器对于45°以内的入射电磁波都能保持90%以上的吸收率。总的来说,这种超薄、宽带、高吸收率的超材料吸波器在无线通信、天线、隐身和雷达探测等方面,尤其是针对X波段雷达的探测与隐身方面有着巨大的应用价值。

参考文献

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