基于電諧振單元的超介質(zhì)吸波材料及矩形波導(dǎo)匹配終端應(yīng)用研究*

李建 文光俊 黃勇軍 王平 孫元華

(電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,光纖傳感與通信教育部重點實驗室,成都 611731)

(2012年11月20日收到;2012年12月20日收到修改稿)

1 引言

超介質(zhì)(metamaterial)是指一種自然界不存在的人工合成材料.1968年,前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago[1]理論分析了電磁波在介電常數(shù)ε(ω)和磁導(dǎo)率μ(ω)同時為負(fù)的各向同性均勻超介質(zhì)中的電動力學(xué)行為,并預(yù)見了該類材料具有常規(guī)材料所不具有的一些獨特電磁特性,如逆折射效應(yīng)、逆多普勒頻移效應(yīng)、逆切連科夫輻射、負(fù)光壓等.2000年,美國加州大學(xué)圣迭戈分校Smith等[2]采用金屬導(dǎo)體線和金屬諧振環(huán)相重疊的微結(jié)構(gòu)為基本單元,首次人工合成出X波段超介質(zhì),同年英國帝國理工學(xué)院Pendry教授[3]提出了應(yīng)用超介質(zhì)實現(xiàn)完美透鏡的可行性.2001年,Shelby等[4]通過實驗測試證實了由Smith所設(shè)計的劈行二維超介質(zhì)樣品的負(fù)折射現(xiàn)象.這些研究成果開創(chuàng)了超介質(zhì)的人工合成方法、機理、應(yīng)用研究之先河,引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大研究興趣,使超介質(zhì)技術(shù)研究成為當(dāng)今國際物理學(xué)界和電磁學(xué)界的前沿研究領(lǐng)域.

2000年始,超介質(zhì)的研究主要集中在其實現(xiàn)機制探索[5-15]、奇異電磁特性分析[16-19]、應(yīng)用研究[20-26]等方面.其中,基于超介質(zhì)的吸波材料由于具有近理想的吸波性能而受到廣泛關(guān)注[20-24].2008年,Landy等[27]首次研究實現(xiàn)了微波頻段的基于電諧振環(huán)與短路金屬線陣列的超介質(zhì)吸波材料.隨后,眾多結(jié)構(gòu)的超介質(zhì)吸波材料被提出[28].其中,平面超介質(zhì)吸波材料的主要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)為：在介質(zhì)基板一面刻蝕出超介質(zhì)金屬諧振單元,另一面完全覆上金屬.其吸波原理為：采用電諧振結(jié)構(gòu)單負(fù)超介質(zhì)實現(xiàn)電諧振特性,基于電諧振結(jié)構(gòu)與介質(zhì)層另一面的金屬平板之間的耦合作用,將在金屬平板上產(chǎn)生反向的表面電流,從而在金屬諧振環(huán)與金屬平板之間形成磁諧振.通過調(diào)節(jié)優(yōu)化超介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù),使得其等效阻抗與自由空間波阻抗匹配,以及在匹配工作頻段內(nèi)具有高損耗特性(包括金屬的歐姆損耗和介質(zhì)的介電損耗),最終達(dá)到完美吸波特性.

另一方面,超介質(zhì)吸波材料的實驗測試方法主要為自用空間測試法,這種測試方法首先需制備大尺寸的測試樣品,并采用兩個喇叭天線在微波暗室里測試其反射系數(shù)(S11),最后得出超介質(zhì)吸波材料的吸波率(A=1-|S11|2).這種測試方法的優(yōu)點為可測試斜入射角以及不同極化角情況下的吸波性能,缺點是所需測試成本較高.2011年,西安電子科技大學(xué)李龍等[29]提出了可在矩形波導(dǎo)里測試小尺寸的超介質(zhì)吸波材料,這種測試方法所需測試樣品尺寸小,測試系統(tǒng)僅需一個波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器以及矩形波導(dǎo)短路器.其缺點為不能測試超介質(zhì)吸波材料在不同入射角和極化角情況下的吸波特性.但是,對于某些特定的應(yīng)用環(huán)境,如本文要討論的矩形波導(dǎo)匹配終端,采用矩形波導(dǎo)測試方法將具有其重要的研究價值.本文采用矩形波導(dǎo)測試方法,實驗研究4種基于電諧振單元的超介質(zhì)吸波材料的吸波性能,并分析將其作為矩形波導(dǎo)匹配終端時的各種指標(biāo)特性.

2 基于電諧振單元的超介質(zhì)吸波材料實驗研究

2.1 實驗樣品加工及測試系統(tǒng)搭建

本文采用的4種電諧振單元如圖1所示,其中第1種電諧振單元為參考文獻(xiàn)[30]中所提出的樹枝狀諧振單元,第2種至第4種諧振單元為參考文獻(xiàn)[31]中所設(shè)計的幾種諧振單元.此4種單元結(jié)構(gòu)均具有高度對稱特性,因此由其構(gòu)成的吸波材料具有極化不敏感特性.本文直接研究由這4種電諧振單元構(gòu)成的吸波材料在X波段(8—12 GHz)矩形波導(dǎo)(WR90)中的吸波性能.

首先,根據(jù)X波段矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸(22.86 mm×10.16 mm)及其工作頻段,采用商用電磁仿真軟件(Ansoft HFSS 14.0)仿真優(yōu)化本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料電諧振單元的結(jié)構(gòu)尺寸.仿真模型如圖2(a)所示,超介質(zhì)吸波材料置于短路矩形波導(dǎo)的末端,矩形波導(dǎo)另一端設(shè)置為波端口.為便于實驗測試驗證,本文所采用的介質(zhì)材料為FR4板材,其相對介電常數(shù)εr=4.0,介質(zhì)損耗角正切值tanδ=0.02.FR4板材厚度0.8 mm,構(gòu)成吸波材料的金屬諧振單元以及FR4板材另一面的金屬層為0.018 mm的金屬銅(電導(dǎo)率為5.813×107S/m).基于上述材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制,優(yōu)化得出在矩形波導(dǎo)里具有近理想吸波特性的4種超介質(zhì)吸波材料諧振單元尺寸(如圖1中第二列所示,圖中尺寸單位為mm).根據(jù)仿真優(yōu)化得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)值,采用電路板刻蝕加工技術(shù),制作出了如圖1中第三列所示的4種超介質(zhì)吸波材料樣品.其中,第1種超介質(zhì)吸波材料諧振單元間間隔為7.5 mm,第2及第3種諧振單元間間隔為5.0 mm,第4種諧振單元間間隔為4.8 mm.

圖1 4種超介質(zhì)吸波材料電諧振單元示意圖和仿真優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)參數(shù)值,以及制備出的對應(yīng)超介質(zhì)吸波材料樣品

為測試超介質(zhì)吸波材料在矩形波導(dǎo)里的吸波性能,本文采用一個工作于X波段的波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器、一個短路器以及安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent N5230A)以搭建測試系統(tǒng)(如圖2(b)所示).首先將超介質(zhì)吸波材料樣品置于波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)端口處,然后將短路器覆蓋在波導(dǎo)端口處以防止電磁波能量泄漏,影響測試結(jié)果.最后將波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的同軸端口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接,測試其反射系數(shù).

圖2 置于矩形波導(dǎo)里的超介質(zhì)吸波材料仿真及測試系統(tǒng) (a)仿真模型;(b)測試系統(tǒng)

2.2 實驗結(jié)果分析

采用上述測試系統(tǒng),分別對本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料在矩形波導(dǎo)里的吸波性能進(jìn)行測試,測試結(jié)果與相應(yīng)仿真優(yōu)化得出的數(shù)值結(jié)果如圖3所示.其中反射率計算公式為為仿真/測試得出的反射系數(shù)值;由于在仿真及測試過程中,波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)端口被短路,因此沒有電磁波能量泄漏,從而得出吸波率計算公式為A(ω)=1-R(ω)=1-|S11|2.由圖3可知,本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料在矩形波導(dǎo)里均顯示出了近理想的吸波性能.圖3(a)所示為基于樹枝狀電諧振單元的超介質(zhì)吸波材料的吸波特性,測試結(jié)果顯示該種結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波峰值為99.4%(10.84 GHz),仿真所得吸波峰值為99.7%(10.68 GHz).測試與仿真所得吸波峰值基本符合,吸波峰值頻率有一定頻率偏移,由分析可知,該頻移為實際加工誤差所致.圖3中其余3種結(jié)構(gòu)超介質(zhì)吸波材料的測試與仿真結(jié)果顯示了相似的特性,此3種吸波材料的測試吸波峰值分別為97.3%(10.77 GHz),96.0%(10.51 GHz),97.2%(11.05 GHz);仿真所得結(jié)果分別為99.6%(10.69 GHz),93.8%(10.62 GHz),96.5%(10.95 GHz).

圖3 本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料在矩形波導(dǎo)里的反射率及吸波率結(jié)果 (a)第1種吸波材料;(b)第2種吸波材料;(c)第3種吸波材料;(d)第4種吸波材料

圖4所示為本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料的電諧振單元以及介質(zhì)另一面的金屬平板在吸收峰值頻點處的表面電流分布仿真結(jié)果.由圖可知,在矩形波導(dǎo)里實現(xiàn)的超介質(zhì)吸波材料的表面電流分布與其在自由空間中的結(jié)果[30]類似.例如,圖4(a)中的樹枝狀諧振結(jié)構(gòu)的表面電流分布滿足軸對稱特性,因此能夠?qū)崿F(xiàn)典型的電諧振特性;而金屬平板上面的表面電流與樹枝狀諧振結(jié)構(gòu)的表面電流呈反對稱特性,因此能在金屬諧振環(huán)和金屬平板之間形成磁諧振特性,此種諧振特點與文獻(xiàn)[30]中分析的一致.圖4中其余3種超介質(zhì)吸波材料的表面電流特性與第一種結(jié)構(gòu)類似.

圖4 本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料的金屬諧振單元以及介質(zhì)另一面金屬平板上的表面電流分布特性 (a)第1種吸波材料;(b)第2種吸波材料;(c)第3種吸波材料;(d)第4種吸波材料

由此可知,本文所討論的在矩形波導(dǎo)里實現(xiàn)的4種超介質(zhì)吸波材料具有與其在自由空間中相似的近理想吸波性能.因此,此種矩形波導(dǎo)測試研究方法可適用于其他已經(jīng)提出的各種結(jié)構(gòu)微波頻段超介質(zhì)吸波材料,以及可用于實驗測試驗證新提出的各種微波頻段超介質(zhì)吸波材料的吸波性能.

3 基于超介質(zhì)吸波材料的匹配終端應(yīng)用研究

由上一節(jié)分析可知,矩形波導(dǎo)加載超介質(zhì)吸波材料可以實現(xiàn)一定帶寬的吸波作用,且該種結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)趨近于零,因此,可將這種結(jié)構(gòu)用于設(shè)計矩形波導(dǎo)匹配終端(其基本結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示),以實現(xiàn)近完美的阻抗匹配特性.本文基于對加載超介質(zhì)吸波材料的矩形波導(dǎo)的實驗測試及仿真研究結(jié)果,得出所討論的4種結(jié)構(gòu)的電壓駐波比特性以及阻抗Smith圓圖特性如圖5所示.由圖可知,第1種及第2種超介質(zhì)吸波材料加載的矩形波導(dǎo)匹配終端的電壓駐波比特性在相應(yīng)頻段內(nèi)顯示出了較好的匹配特性,第3種超介質(zhì)吸波材料加載的矩形波導(dǎo)匹配終端在其吸波工作頻段內(nèi)未能很好地達(dá)到匹配,第4種超介質(zhì)吸波材料加載的矩形波導(dǎo)匹配終端表現(xiàn)出一定的匹配帶寬.該4種超介質(zhì)吸波材料加載的矩形波導(dǎo)匹配終端的最佳匹配點VSWR值,VSWR≤1.5的工作頻段如表1所示,其中第2列及第3列為測試結(jié)果,第4列及第5列為相應(yīng)的仿真結(jié)果.為進(jìn)一步優(yōu)化矩形波導(dǎo)匹配終端的匹配性能,可通過簡單地調(diào)節(jié)介質(zhì)基板的厚度來實現(xiàn),其調(diào)節(jié)優(yōu)化方法類似于吸波材料的優(yōu)化方法[28].因此,本文所討論的4種超介質(zhì)吸波材料完全可用于設(shè)計矩形波導(dǎo)匹配終端,達(dá)到近理想的阻抗匹配性能.為進(jìn)一步展寬此種匹配終端的工作帶寬,可簡單地通過加載寬帶超介質(zhì)吸波材料[32]實現(xiàn).

圖5 4種超介質(zhì)吸波材料加載的矩形波導(dǎo)匹配終端的電壓駐波比(VSWR)以及阻抗Smith圓圖特性

表1 4種超介質(zhì)吸波材料加載的矩形波導(dǎo)匹配終端的測試與仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用矩形波導(dǎo)測試系統(tǒng),實驗與仿真相結(jié)合研究了4種超介質(zhì)吸波材料的吸波性能及吸波機理.結(jié)果顯示,超介質(zhì)吸波材料在矩形波導(dǎo)中的吸波性能及吸波機理與自由空間中類似,因此得出矩形波導(dǎo)測試系統(tǒng)可用于其他新型超介質(zhì)吸波材料的實驗研究.進(jìn)一步討論了將超介質(zhì)吸波材料加載到終端短路的矩形波導(dǎo)中,以實現(xiàn)窄帶的匹配終端應(yīng)用,結(jié)果顯示該種新型的矩形波導(dǎo)匹配終端具有近理想的匹配性能,且其阻抗匹配帶寬可通過設(shè)計寬帶超介質(zhì)吸波材料展寬.本文所討論的超介質(zhì)吸波材料測試方法及其矩形波導(dǎo)匹配終端應(yīng)用具有重要的應(yīng)用前景,可實現(xiàn)寬帶小型化高性能的阻抗匹配終端.

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