多频带超材料吸波器设计

张娜，华伟，包建军

（1.四川大学电子信息学院，成都610065；2.四川大学高分子研究所，高分子材料工程国家重点实验室，成都610065）

0 引言

近年来，因吸波材料广泛应用于天线[1]、电磁屏蔽[2]和隐身[3]等众多军事和民用领域，研究方向多集中在增加吸波材料的吸收带宽和吸收强度，降低吸波材料的重量和厚度[4]。

传统吸波材料常利用“λ/4 干涉相消”原理对入射电磁波产生强吸收，其实现的基础是材料的厚度至少为波长的四分之一，在带宽变化时，四分之一波长的厚度条件就会失效，因此，传统吸波材料难以同时达到吸收带宽宽、厚度薄、重量轻、强吸收的高性能要求。超材料吸波引入人工复合材料，因能在超薄厚度下实现完美吸收而受到广泛关注[5]。超材料吸波器通常是由上层周期单元阵列、中间层介质基底和底层金属背衬构成的三层结构。当电磁波入射到金属周期单元时，其产生的电磁响应，产生了新的电磁损耗。

本文设计了一种应用于微波频率的具有三个谐振吸收峰极化独立的超材料吸波器，其金属周期单元由两个不同形状和尺寸的开口谐振结构组成。基于对称模型提取超材料吸波器的等效电磁参数，利用提取的等效电磁参数计算超材料吸波器的微波吸收特性，分析电场分布和表面电流分布揭示超材料吸波器的电磁谐振吸收特性。通过仿真优化谐振结构尺寸，在2-18GHz 频带内出现三个强吸收峰，在4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 处的吸收率均达95%以上，测试结果验证了仿真与计算结果的正确性。

1 建模与仿真优化

建立超材料吸波器模型如图1（a）所示。吸波器由两个金属层和一个位于两个金属层中间的介质层组成。顶层是金属谐振单元，底层是金属背衬，厚度均为0.035mm，电导率均为5.8×107S/m。介质层为FR4，相对 介 电 常 数ɛr=4.3，损 耗 正 切tanδ=0.025，厚 度t=1.0mm。

吸波器结构单元尺寸p=8mm，a3=7.8mm，a2=6.5mm，a1=5mm，w5=0.3mm，w4=0.5mm，w3=0.3mm，w2=0.3mm，w1=0.5mm，g2=0.25mm，g1=0.5mm。图1（b）给出了吸波器在正入射下的吸收率和反射率曲线。结果显示吸波器具有三频带强吸收特性，其中三个峰值4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 处的吸收率分别达97%、99%和97%。三个吸收峰附近的有效吸收带宽分别为71MHz（4.176GHz-4.247GHz）、130MHz（7.816GHz-7.946GHz）和128MHz（11.488GHz-11.616GHz）。

图2 给出了超材料吸波器中不同形状的Absorber-A 和Absorber-B 结构单元的吸收率曲线与集成的超材料吸波器的吸收率曲线的对比结果，表明当两种不同的谐振结构集成为一个谐振单元时，表现出三频带强吸收特性。构成该超材料吸波器的结构单元具有旋转对称特性，吸波性能不受入射角度影响。

图1

图2 不同谐振结构的吸收曲线

2 结果与讨论

2.1 超材料吸波器吸收机理分析

提取超材料吸波器中除金属背板之外的等效电磁参数[6]，如图3 所示。基于传输线理论利用等效的电磁参数计算超材料吸波器的微波吸收特性，如图4（a）所示。结果表明仿真与计算的超材料吸波器的吸收性能基本完全吻合，因此能够利用提取的等效电磁参数对其吸收机理进行研究。

为探究超材料吸波器中吸收峰产生的主要原因，根据提取的等效电磁参数计算超材料吸波器中其吸收峰位置与材料厚度是否满足“λ/4 干涉相消”，如图4（b）所示。结果表明，超材料吸波器中其吸收峰位置与材料厚度之间没有明显的相关性，说明其吸收峰产生的主要原因不是“λ/4 干涉相消”，另外曲线为非平滑曲线的主要原因是谐振的存在导致超材料吸波器的等效电磁参数在谐振频率处发生突变。将超材料吸波器加金属背板的吸收强度（SHORT）和不加金属背板的吸收强度（OPEN）随频率变化的曲线进行对比，如图4（c）所示。结果表明两者在2-18GHz 频带内均有三个较明显的吸收峰，在加金属背板之后，超材料吸波器的吸收峰具有向低频移动的趋势，且吸收峰的强度变大，可见，虽然超材料吸波器中吸收峰产生的主要原因不是“λ/4 干涉相消”，但金属背衬的存在与超材料吸波器强吸收峰的产生依然有重要的关系。这是因为当电磁波入射到超材料吸波器时，激发了超材料吸波器中金属单元和金属背板之间强烈的电磁响应，形成电磁耦合谐振效应。

图3 超材料吸波器等效电磁参数

图4

2.2 超材料吸波器电磁谐振吸收特性分析

为了探究所设计的三频带超材料吸波器在电磁谐振下的吸收特性，在三个吸收峰处分别添加场监视器，当电磁波垂直入射到超材料吸波器表面时，图5 为吸波器在三个谐振吸收峰 4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 处的电场分布，在低频4.21GHz 处，由于Absorber-A 内环与外环之间的相互耦合，电场主要集中在外部的开口谐振环Absorber-A 中，在较高频7.89GHz 处，电场主要集中在内部的开口谐振环Absorber-B 中，然而，在最高频点11.55GHz 处，电场依然主要集中在外部的开口谐振环Absorber-A 中。因此在4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 处的吸收分别是由外部的Absorber-A、内部的Absorber-B、外部的Absorber-A 引起。由此再次印证了所设计的吸波器的第一和第三个吸收峰主要由Absorber-A 产生，而第二个吸收峰主要由Absorber-B 产生。图6 为吸波器在三个谐振吸收峰4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 处金属单元与金属背板上的表面电流分布，在低频4.21GHz 和较高频7.89GHz 处，金属单元与金属背板上的表面电流方向相反，而在最高频点11.55GHz 处，Absorber-A 的内环与外环上的表面电流方向相反。这样它们之间就形成了循环电流，从而激发了磁响应。可见，吸收峰处电响应和磁响应同时被激发，导致电磁耦合谐振效应，使此超材料吸波器具有较强的对电磁波吸收的能力。

图5 超材料吸波器在三个吸收峰处的电场分布

图6 超材料吸波器在三个吸收峰处上下金属层的表面电流分布

2.3 超材料吸波器加工及测量

仿真与计算结果已经表明了由两种不同形状和尺寸的开口谐振结构组成的超材料吸波器具有良好的三峰值极化独立吸收特性，为了验证仿真与计算结果的正确性及超材料吸波器设计的有效性，根据仿真优化得到的超材料吸波器的尺寸利用传统的印刷电路板工艺制备了含25×25 个金属单元200×200mm2的超材料吸波器样品，如图7（a）所示。采用弓形法测试样品的反射率，将连接在矢量网络分析仪（Agilent N5230A）上用于发射和接收的两个标准喇叭天线放置在弓形框上，样品放置于天线正下方，实现自由空间的雷达吸波材料反射率测量。为防止周围电磁环境的干扰，测试均在微波暗室中进行。实际测量前，首先利用与待测样品尺寸相同的铜板进行反射率校准，然后对样品进行实际测量。图7（b）为制备的超材料吸波器的测量与仿真反射率对比曲线，由图可知，实际测量性能与仿真性能结果一致。

图7

3 结语

本文提出了一种应用于微波频率的具有三频带吸收极化独立的超材料吸波器，金属周期单元由两个不同形状和尺寸的开口谐振结构Absorber-A 和Absorber-B组成，经仿真优化结构尺寸，超材料吸波器在2-18GHz频带内具有三个强吸收峰，且在三个吸收峰4.21GHz、7.89GHz 和11.55GHz 处的吸收率均达95%以上。基于对称模型，提取了超材料吸波器的等效电磁参数，通过分析电场分布和表面电流分布对超材料吸波器的吸波机理进行了详细的研究。最后，加工设计的超材料吸波器对其进行实际测量，验证了仿真与计算结果的正确性。