电磁超材料吸波器的相关研究

罗婷　高胜凯

【摘要】 电磁超材料吸波器是基于超材料的电磁谐振吸收器，通过合理设计器件的物理尺寸及材料参数，能够与入射电磁波的电磁分量产生耦合，从而实现对入射到吸收器的特定频带内的电磁的吸收。随着科学的发展，电磁超材料吸波器应用于越来越多的领域，本文分类介绍了吸收器的结构和性能特点，最后对齐发展趋势作了探讨。

【关键词】 超材料 吸波器 电磁

一、极化不敏感及宽角度入射型吸收器

西北工业大学赵晓鹏等人设计的一种具有分形结构的超材料吸收器，采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm的环氧酚醛玻璃纤维PCB基板的一面上刻蚀出金属树枝状结构单元阵列，另一面为金属薄膜。金属树枝的三级分支长度分别为1.2mm、0.9mm、0.8mm，单元晶格间距为10.0mm。实验结果显示吸收率达到99.88%。

上述吸收器在参数优化设计之后获得了比较高的吸收率，但是对于不同角度入射的电磁波，其吸收率就未必能达到预想的效果。为了能更大限度地发挥超材料吸收器的应用价值，林先其等人设计了一种可以实现宽角度入射电磁波超材料吸收器。

该吸收器包括周期性排列的单元吸波结构每个单元结构包括介质基板的正面金属结构、介质基板的背面金属结构和介质基板。其中，介质基板的正面金屬结构由2条相同且中心相互交叉的“直线形”第一金属分支线构成，所述2条第一金属分支线之间的夹角均为90度；所述每条第一金属分支线的两端均具有与该条第一金属分支线相切连接的“弧线形”第二金属分支线；所述第二金属分支线之间形成一个具有4个相同缺口的圆环。

试验结果显示，在11.2GHz附近，|S11|有明显吸收峰，|S21|在相对带宽很大的范围内都能小于-18dB，即反射和透射都很小，实现了很好的电磁波吸收，在0-45度范围内，入射角的变化对结构吸波效果影响不大。

二、双频及多频吸收器

东南大学的崔铁军教授提出了一种多频段微波吸收结构，包括多个环状的人工电磁材料1、金属背板3和安装在人工电磁材料1和金属背板3之间的介质基板2，多个人工电磁材料1相互嵌套且同心安装，具有结构紧凑等优点。通过改变人工电磁材料1的个数和通过调节人工电磁材料1内环与外环周长的比例，可以实现在设计频段内多频段的完美吸收。

此外，由于人工电磁材料1的形状为沿水平方向及垂直方向均对称的多边形或圆形，多频段微波吸收器在不同极化下的大角度斜入射波均有良好的吸收效果，此特点使得其在实际应用下有更大的发展前景。

实验结果显示：该双频段微波吸收器在4.06GHz和6.66GHz分布呈现99.6%和95.8%的吸收率；在入射角达到50度时依然保持83%以上的吸收率。该双频段微波吸收器在4.06GHz、6.73GHz以及9.22GHz呈现99.1%、93%以及95%的吸收率；在入射角达到50度时依然保持90%以上的吸收率。

三、宽频吸收器

宽频段吸收器也是一直研究的热点，深圳光启高等理工研究院提出了一中宽频带吸波材料，由多个阻抗均匀的超材料片层3沿垂直于片层表面方向堆叠形成，可以通过调整每一超材料片层3所附着的人造微结构2的图形和几何尺寸使每一超材料片层3的等效介电常数ε与等效磁导率μ相等进而满足阻抗匹配特性。

进一步的根据入射电磁波的频率段设计各超材料片层3所附着的人造微结构2的谐振频率，使得入射的各个频率段的电磁波与不同超材料片层3的人造微结构2产生电磁共振，此时射入吸波超材料的电磁波被不同的超材料片层3吸收，实现了较完美的吸波效果。吸波超材料的各个超材料片层3附着有不同图形和几何尺寸的人造微结构2以实现对不同频率段的电磁波进行吸收。

四、可调谐型吸收器

超材料吸收器的发展已经取得了一定的进展，但仍有不足，例如，开口谐振环的尺寸一旦固定，吸收频率就不可调了，所以，可调谐型完美吸收器也受到了大家的关注，电子科技大学的文光俊等人提出了一种基于亚铁磁体的可调谐负磁导率超材料，三频负磁导率超材料单元结构置于波导中，波导沿z方向设置为电壁，沿x方向设置为磁壁，沿y方向为入射电磁波的传播方向。通过对单环双磁谐振环加载亚铁磁体，可简单实现三频负磁导率电磁超材料，并且该三个负磁导率工作频段能随外加直流磁场改变而产生频移，拓宽了三频负磁导率的工作频带。

五、结语

综上所述，电磁超材料吸收器取得了巨大的发展，也存在不足，如各向异性、带宽较窄等，另外，在性能上也很难达到100%的吸收。未来，超材料吸收器在宽频吸收、可谐型吸收器以及与功能结合的方向有望得到进一步发展。

参 考 文 献

[1] “电磁超材料吸收器的研究进展”，赵碧辉，《电子元件与材料》，2011年11月，第11期第30卷

[2] “双波段超材料吸收器”，沈晓鹏，《2011年全国微波毫米波会议论文集》，2011年