0 引言

    吸波材料是能夠?qū)⑷肷涞狡浔砻娴碾姶挪ㄞD換成其他形式能量的一類材料，通過減少透射和反射，展現(xiàn)出吸波特性。根據(jù)不同的吸波機理，吸波材料可以分為很多種。超材料作為一種人工電磁材料，具有自然界常規(guī)材料所不具有的超常物理特性，其中超材料吸波器（metamaterial  absorber）在近幾年得到廣泛關注。TAO H等人利用改進的單元結構制備出了作用于太赫茲波段的吸波材料^[1]。LEE J等人利用較為復雜的單元結構實現(xiàn)了雙頻帶的超材料吸波器^[2]?，F(xiàn)如今，單一頻點和多頻點的吸波器已經(jīng)逐漸不能滿足復雜的電磁波環(huán)境的應用需求，因此，寬帶電磁超材料吸波器^[3-8]越來越受到工程研究人員的重視，各式各樣的寬帶超材料吸波器也不斷被設計出來，寬帶吸波器的發(fā)展迎來了高峰。

    本文通過加載集總電阻，設計了一種工作在X波段的超材料寬帶高吸收率吸波器，而且其結構簡單，易于生產(chǎn)加工。利用電磁仿真軟件對吸波器進行仿真得出，對于8.4～13.6 GHz頻率范圍內(nèi)的入射波有著90%的吸收率，在10.3～13.1 GHz頻率范圍有著99%的吸波率。在其吸波帶內(nèi)，對于入射波能實現(xiàn)寬入射角的吸收效果。

1 超材料吸波器的原理和設計

    等效媒質(zhì)理論^[9-12]是常用的超材料吸波器的設計指導。吸波器的吸收率可以表示為：

    當反射率盡可能小時，吸收率達到最大。反射率|S11|²的大小取決于吸波器表面阻抗與自由空間波阻抗的匹配程度。假設自由空間的波阻抗為Z₀，吸波材料的阻抗為Z₁，則反射系數(shù)為：

    本文設計的超材料吸波器單元遵循典型的3層結構，上層為開口金屬環(huán)加載集總電阻，中間層采用有損耗的FR-4介質(zhì)基板，底層為全金屬背板，其單元結構如圖1所示。開口環(huán)和背板均采用金屬銅，電導率為σ=5.8×10⁷ S/m，介質(zhì)基板的介電常數(shù)為ε=4.3 ，損耗角正切為t_d=0.025 。全金屬背板可以有效防止透射。開口金屬環(huán)為外方內(nèi)圓結構，開口處加載了2個集總電阻。在電磁波入射時，通過電阻的歐姆損耗可以有效地將入射電磁波的感應電流能量耗散掉，實現(xiàn)對入射波的吸收最大化。同時，該吸波器在大入射角的情況下依舊能保持高吸收率。

    利用商用的電磁仿真軟件CST Microwave Studio對建立的吸器模型進行參數(shù)優(yōu)化，最終得到的結構參數(shù)如下：晶格常數(shù)P=14.2 mm，金屬環(huán)邊長L=9.5 mm，內(nèi)圓弧半徑R=3.8 mm，開口寬度w=1.7 mm，加載的電阻r=270 Ω，F(xiàn)R-4基板的厚度d=3 mm，銅膜的厚度為0.035 mm，方便生產(chǎn)加工，開口金屬環(huán)和底板入射波的電場沿y軸方向，磁場沿x軸方向，波矢量沿-z軸方向。仿真得到的該吸波器的吸收率如圖2所示。由圖可知，吸波器的工作頻段基本覆蓋X波段，90%吸波率頻帶為8.4～13.6 GHz，相對吸波帶寬為47.3%，99%吸波率帶寬為10.3～13.1 GHz，相對吸波帶寬為23.9%。

2 仿真分析和原理闡述

    下面分析吸波器在斜入射條件下的吸收效果。圖3所示為吸波器在TE極化模式(電場E方向保持不變，磁場H方向改變)下，吸收率變化的曲線?？梢钥闯霎斎肷浣窃诓怀^45°的范圍內(nèi)，90%吸波帶寬變化不大，但是吸波帶隨著入射角的增大有明顯的藍移現(xiàn)象。這是因為隨著入射電磁波角度的增大，入射波的磁場分量激勵起的表面電流變小，電流路徑變短，諧振點往高頻移動，所以宏觀表現(xiàn)為吸波帶藍移。當入射角達到45°時，整個吸波帶內(nèi)的吸收率下降開始加快?？傮w來說，吸波器對于45°內(nèi)斜入射電磁波有著良好的吸波效果。

    為了闡述寬帶吸收效果產(chǎn)生的原理，對吸波器的表面電流分布進行分析。圖4為吸波器吸收峰值頻率 f=12.7 GHz處的吸波器表面電流分布，箭頭方向代表電流的流向，箭頭疏密程度反應了表面電流的大小。對于吸收峰值頻率f=12.7 GHz處，可以看到在諧振時，金屬環(huán)表面的感應電流要明顯高于底板，這是因為入射波的電場分量在金屬環(huán)上激起了電諧振。金屬環(huán)上的感應電流和背板上的感應電流方向相反，形成了等效環(huán)流，這說明入射電磁波的磁場分量在金屬環(huán)和底板之間產(chǎn)生了磁諧振，強烈的電磁諧振使得吸波器對入射波實現(xiàn)完美吸收。

    進一步分析電場的分布，如圖5所示。電場分布表明，入射電磁波的電場分量與金屬環(huán)產(chǎn)生了電偶極子響應，在外電場的驅(qū)動下，電場主要集中在金屬環(huán)上。對于吸收峰值頻率f=12.7 GHz處，金屬環(huán)上下部分內(nèi)外兩側存在少量能量損耗，而大部分能量在金屬環(huán)開口處和加載的集總電阻上以金屬損耗和歐姆損耗的形式被消耗掉。

3 實驗

    為了驗證吸波器的吸波效果，依照經(jīng)過CST仿真優(yōu)化過的結構參數(shù)加工出有限單元大小的吸波器實驗樣品，尺寸為284 mm×284 mm，一共有20×20個單元結構，如圖6所示。實驗樣品采用有損耗的FR-4介質(zhì)基板，厚度為3 mm，介電常數(shù)為ε=4.3。表面金屬環(huán)和背板均采用金屬銅，厚度為0.035 mm，電導率為σ=5.8×10⁷ S/m。加載的集總電阻采用0603封裝的貼片電阻，阻值為r=270 Ω，尺寸為1.6 mm×0.8 mm×0.4 mm，正好契合金屬環(huán)開口大小，方便焊接。在微波暗室中，采用自由空間測試法，如圖7所示，使用Agilent N5244A矢量網(wǎng)絡分析儀，輸出端連接一個1～18 GHz的寬帶雙脊喇叭天線，輸入端分別連接6～8 GHz、8～12 GHz、12～14 GHz的矩形喇叭天線對實驗樣品進行測試。把待測的實驗樣品放置在微波暗室中間，收發(fā)天線對稱放置，且與吸波器的法線夾角很小，可以忽略。測試結果如圖8所示。

    根據(jù)實驗結果可以看出，吸波器實驗樣品在頻率  8.00～13.2 GHz 波段吸收率高于 90%。吸波帶整體有一定的紅移現(xiàn)象并且吸波峰值略低于仿真值，這可能是實驗樣品的加工存在誤差和測試系統(tǒng)的精度不足導致的。此外，用20×20個單元結構模擬無限大周期結構也會對實測結果產(chǎn)生影響。

4 結論

    本文設計了一種加載集總電阻的金屬環(huán)形寬帶高吸收率電磁超材料吸波器，90%吸波頻帶8.4～13.6 GHz，相對吸波帶寬47.3%；99%吸波率帶寬為10.3～13.1 GHz，相對吸波帶寬為23.9%。工作頻段基本覆蓋了X波段。其厚度僅為最大工作波長的6%，實現(xiàn)了超薄的設計要求。通過仿真研究可以看到，在工作頻帶內(nèi)，該吸波器對于45°以內(nèi)的入射電磁波都能保持90%以上的吸收率。總的來說，這種超薄、寬帶、高吸收率的超材料吸波器在無線通信、天線、隱身和雷達探測等方面，尤其是針對X波段雷達的探測與隱身方面有著巨大的應用價值。

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作者信息：

于榭彬，宋耀良，范事成

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094）