超材料在寬頻微波衰減吸收材料中的應(yīng)用研究進(jìn)展

周卓輝，黃大慶，劉曉來，牟維琦，康飛宇

（1北京化工大學(xué) 理學(xué)院，北京100029；2北京航空材料研究院，北京100095；3清華大學(xué) 材料學(xué)院，北京100083）

超材料是一種由金屬和介質(zhì)復(fù)合而成的具有負(fù)折射率性質(zhì)的人工電磁材料［1，2］。最初研究超材料時(shí)，人們主要關(guān)注的是如何實(shí)現(xiàn)其等效負(fù)折射率、等效負(fù)介電常數(shù)［3，4］和等效負(fù)磁導(dǎo)率［5］，設(shè)計(jì)出一系列的結(jié)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)超材料的左手性質(zhì)，例如開口諧振環(huán)（Split Ring Resonator，SRR）［2］、S 形 諧 振 環(huán)［6］，螺 旋 線 結(jié)構(gòu)［7］等。通過構(gòu)建漸變的電磁參數(shù)去實(shí)現(xiàn)隱身斗篷也是人們的關(guān)注點(diǎn)之一［8］，然而超材料的最大特點(diǎn)是通過超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人們所需要的折射率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，這就為超材料在吸波材料上的應(yīng)用提供了有利條件。眾所周知，實(shí)現(xiàn)隱身材料優(yōu)良吸波性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素之一是實(shí)現(xiàn)材料與空氣的阻抗匹配［9］，因此，理論上可以通過對(duì)超材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)獲得實(shí)現(xiàn)阻抗匹配所需要的電磁參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)入射波的零反射。2008年，Landy等［10］首先提出了由電諧振器、電介質(zhì)基板和金屬微帶線構(gòu)成的具有“完美吸收”特點(diǎn)的電磁耦合結(jié)構(gòu)吸波體，之后人們對(duì)超材料吸波體的完美吸收產(chǎn)生了極大的興趣，提出了各種結(jié)構(gòu)的超材料吸波體去實(shí)現(xiàn)各種波段的電磁波吸收［11，12］，同時(shí)設(shè)計(jì)了一系列結(jié)構(gòu)去改善電磁波極化對(duì)超材料吸波體的影響［13，14］。但是，對(duì)于吸波材料來說，其最重要的應(yīng)用條件是能否在寬頻帶上實(shí)現(xiàn)高吸收，所以制約超材料吸波體發(fā)展的一個(gè)重要因素就是如何把窄頻段的完美吸收變成寬頻帶的完美吸收。

本文主要對(duì)不同超材料吸波體的頻帶擴(kuò)展方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，其中包括基于諧振吸收、加載集總元件、加載電阻材料的頻帶擴(kuò)展方法以及通過可調(diào)超材料去實(shí)現(xiàn)超材料吸波體的智能化吸收和寬頻吸收的方法，最后，重點(diǎn)分析了分形學(xué)曲線在超材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 基于金屬諧振吸收的寬波段超材料吸波體

通過近年來對(duì)超材料的研究發(fā)現(xiàn)，超材料作為吸波材料最基本的吸波方式是通過入射電磁波的激勵(lì)，在平行金屬結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生電諧振，環(huán)狀金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生磁諧振，使入射電磁波能量在諧振結(jié)構(gòu)中來回震蕩從而消耗吸收［10］。平行板結(jié)構(gòu)相當(dāng)于電容（C），環(huán)狀結(jié)構(gòu)相當(dāng)于電感（L），其諧振頻率是由等效電容和電感構(gòu)成的LC電路決定的［11］。改變超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)相當(dāng)于改變了LC電路中的電容和電感值，進(jìn)而移動(dòng)諧振頻點(diǎn)。所以改變超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)容易造成其諧振中心頻率位置的改變，于是人們想通過對(duì)不同諧振單元的復(fù)合以及組合來實(shí)現(xiàn)超材料吸波體的頻率擴(kuò)展。

Tao等［15］提出了一種SRR的復(fù)合結(jié)構(gòu)，將兩個(gè)不同大小的SRR模型連接起來構(gòu)成超材料。由于不同的結(jié)構(gòu)具有不同的諧振頻率，所以通過實(shí)驗(yàn)得到了兩個(gè)吸收波段，其吸收率在1.4THz和2.9THz分別達(dá)到了86%和84%；進(jìn)一步對(duì)表面電流進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大尺寸的SRR主要吸收低頻的入射電磁波，而小尺寸的SRR主要吸收高頻的入射電磁波，從而實(shí)現(xiàn)雙峰吸收。

Li等［16］對(duì)SRR單元結(jié)構(gòu)的排列方式進(jìn)行了調(diào)整，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)單一的單元都包含了四個(gè)小的SRR基本單元，通過中心電容的開口方向與入射電磁波電場(chǎng)方向的對(duì)應(yīng)方式不同而實(shí)現(xiàn)不同波段的吸收；經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分別在11.15GHz和16.01GHz左右實(shí)現(xiàn)了99.9%的吸收率，峰的半波寬度也分別達(dá)到了0.32GHz和0.62GHz，表面電流的分析顯示，開口與電場(chǎng)垂直SRR對(duì)低頻電磁波的吸收起主導(dǎo)作用，開口與電場(chǎng)平行的SRR對(duì)高頻電磁波的吸收起主導(dǎo)作用，從而實(shí)現(xiàn)了雙吸收峰。

Luo等［17］和Sun等［18］分別在雙吸收峰的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展；Luo提出了一種由五個(gè)不同尺寸的SRR排列而成的超材料結(jié)構(gòu)（圖1），由于尺寸不同，每個(gè)SRR都有一個(gè)吸收峰，所以從材料的整體性能來看，其吸波性能就是這五個(gè)SRR吸收峰的疊加，每個(gè)SRR的吸收峰半波寬度約為0.4GHz，整個(gè)材料的吸收峰半波寬度就被擴(kuò)展到了1.3GHz［17］。

圖1 SRR的平行排列［17］ （a）原理圖；（b）吸收曲線Fig.1 Parallel arrangement of SRR［17］（a）schematic；（b）absorbing curve

Sun提出在高度上層層疊加的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案［18］，他提出的材料在吸波機(jī)理上與Luo提出的結(jié)構(gòu)不同，該方案是通過結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)使每層結(jié)構(gòu)的折射率不同從而使入射波和反射波干涉相消達(dá)到吸波的目的。模擬上，吸波體在5～30GHz的范圍內(nèi)能達(dá)到－10d B以上的吸收，實(shí)驗(yàn)上，在10～30GHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了－10d B以上的吸收。

上述這種頻帶擴(kuò)展的方法是基于電磁諧振吸收，存在諧振吸收頻帶窄的缺點(diǎn)，多個(gè)或者多層諧振單元的組合雖然可以擴(kuò)展吸收帶寬，但是其頻帶擴(kuò)展能力有限，并且是以犧牲整體的厚度為代價(jià)，因此人們需要在其他的影響因素中尋找突破點(diǎn)。

2 基于電阻損耗吸收的寬波段超材料吸波體

由于金屬結(jié)構(gòu)消耗入射電磁波能量的能力有限，所以其諧振吸收峰都比較窄，如何改變諧振吸收中電磁波的消耗機(jī)制，或增加其消耗從而加深單獨(dú)吸收峰的吸收帶寬成為人們研究的重點(diǎn)。

與傳統(tǒng)的主要由電磁諧振吸波的頻帶擴(kuò)寬方法不同，顧超等［19］提出一種加載集總元件的寬頻超材料吸波體（圖2），所設(shè)計(jì)的超材料吸波體的結(jié)構(gòu)單元由加載集總元件的磁諧振器、介質(zhì)基板和金屬背板組成，認(rèn)為相對(duì)于不加載集總元件的磁諧振器，加載集總電容能夠增強(qiáng)電路的儲(chǔ)能能力或空間中電磁能轉(zhuǎn)換成電路中電能的能力，加載集總電阻能夠增強(qiáng)電路消耗電能的能力，兩者合在一起能夠增強(qiáng)磁諧振器對(duì)空間中電磁波的吸收。他仿真了加載集總元件和不加載集總元件兩種情況下的電磁波吸收率，結(jié)果顯示在加載集總元件的情況下能夠極大地增加電磁波的吸收帶寬，說明在加載的情況下，集總元件主要起到了消耗入射電磁波的作用，從而實(shí)現(xiàn)了寬頻吸收。但是，該方案加工成本較高，工藝上難以大規(guī)模制作，于是孫良奎等［20］設(shè)計(jì)了一種基于電阻材料的超材料吸波體，由周期性排列的電阻片、基體以及金屬背底構(gòu)成；與傳統(tǒng)金屬超材料吸波體的諧振吸收機(jī)理不同，這種吸波體是由入射電磁波在周期性的電阻片上產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流轉(zhuǎn)變成熱能損耗而進(jìn)行吸波。他們通過仿真計(jì)算和優(yōu)化得到了一種反射率在8～18GHz范圍內(nèi)小于－10dB的吸波材料，并且采用手糊工藝制備了空心石英纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基體，絲網(wǎng)印刷制備了電阻片，實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的吸波材料，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果比較吻合。根據(jù)此能量消耗方式屈紹波等［21］也設(shè)計(jì)了一種由六邊形電阻膜、介質(zhì)基板和金屬背板構(gòu)成的超材料吸波體，仿真得到的反射率和吸收率表明，該吸波體在7.0～27.5GHz之間對(duì)入射電磁波具有寬頻帶的強(qiáng)吸收，證實(shí)了電路諧振相對(duì)于電磁諧振更易于實(shí)現(xiàn)寬帶吸波的特點(diǎn)，并且由于六邊形結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，此結(jié)構(gòu)還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極化不敏感的特性。在前人的研究基礎(chǔ)上，程用志等［22］同時(shí)設(shè)計(jì)了三種類型的吸波體，比較了其吸波性能，并分析了其優(yōu)劣。這三種吸波體分別為基于正方形金屬貼片（Square Metal Patch，SMP）結(jié)構(gòu)的超材料吸波體、電阻型頻率選擇表面（Resistance Frequency Selective Surface，RFSS）吸收體以及SMP結(jié)構(gòu)與RFSS結(jié)構(gòu)復(fù)合的吸波體。模擬結(jié)果表明，在2～30GHz頻率范圍內(nèi)，SMP吸波體通過幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多頻窄帶強(qiáng)吸收，這時(shí)電磁諧振起主要的吸收作用，RFSS吸收體則通過方塊電阻實(shí)現(xiàn)高頻寬帶強(qiáng)吸收，但其帶寬擴(kuò)展有限。而結(jié)合SMP和RFSS兩者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸波體，在3～25GHz之間的吸收率都大于90%以上。

圖2 加載集總元件［19］ （a）原理圖；（b）吸收曲線對(duì)比Fig.2 Loaded lumped components［19］ （a）schematic；（b）comparison of the absorbing curve

加載集總元件可以拓寬電磁波吸收帶寬，但是以犧牲整體材料厚度為前提，并且其制作工藝復(fù)雜，不利于實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用；而基于電阻片的超材料吸波體其厚度難以達(dá)到要求，并且不能大范圍地?cái)U(kuò)寬吸收帶寬，這也在一定程度上限制了其應(yīng)用，在這兩者之間尋找一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)是超材料吸波體未來發(fā)展的一個(gè)研究重點(diǎn)。

3 可調(diào)寬波段超材料吸波體

改變結(jié)構(gòu)參數(shù)可以很容易調(diào)節(jié)諧振吸收頻點(diǎn)，但在應(yīng)用中超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)本身并不容易改變，因此，如何通過任意改變超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)去實(shí)現(xiàn)超材料吸波體的智能化吸收和寬頻吸收特性是人們一直以來重點(diǎn)關(guān)注的問題。

Gil等［23］報(bào)道了一種基于SRR可調(diào)超材料實(shí)現(xiàn)方案，提出將可變二極管負(fù)載在諧振環(huán)上實(shí)現(xiàn)可調(diào)性能，于是在長(zhǎng)方形開口諧振環(huán)的內(nèi)長(zhǎng)方形和外長(zhǎng)方形之間加載可變二極管，通過調(diào)節(jié)二極管上的電壓來調(diào)節(jié)諧振環(huán)的諧振頻率。Aydin等［24］報(bào)道了負(fù)載電容器的同心圓形狀的SRRs超材料，他們將電容器分別加載在SRRs外環(huán)的開口處、內(nèi)環(huán)的開口處和內(nèi)環(huán)與外環(huán)的間隙處［24］，通過實(shí)驗(yàn)和模擬雙重手段給出在這三種條件下，調(diào)節(jié)不同的電容值可以獲得不同的諧振頻率，結(jié)果顯示，當(dāng)電容器加載在外環(huán)開口處時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)最大諧振頻率的改變。

Ekmekci等［25］提出一種基于SRR微小縫隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，每一個(gè)微小的縫隙都有兩個(gè)狀態(tài)，通過微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electronic Mechanical Systems，MEMS）的開關(guān)技術(shù)可以改變微小縫隙的“開”“關(guān)”狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)其吸收頻帶的位置，并且可以簡(jiǎn)單計(jì)算出，當(dāng)有3個(gè)微小帶隙的時(shí)候，不同“開”“關(guān)”狀態(tài)的組合就能實(shí)現(xiàn)7個(gè)頻段的吸收。他們給出了不同數(shù)量縫隙結(jié)構(gòu)的不同吸收頻段，同時(shí)還將不同的結(jié)構(gòu)排列在一起實(shí)現(xiàn)了多個(gè)帶寬的吸收，但是他們還沒有在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)出開關(guān)去實(shí)現(xiàn)微小縫隙的開關(guān)狀態(tài)，未達(dá)到可調(diào)的目的。

Ye等［26］也提出了相似的SRR微小縫隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，討論了通過不同數(shù)量和不同結(jié)構(gòu)的排列方式實(shí)現(xiàn)多帶寬的吸收，但他們也未提出如何設(shè)計(jì)MEMS去調(diào)節(jié)SRR上微小縫隙結(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)。

Hand等［27］從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了如何通過在諧振環(huán)開口上加載MEMS系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)對(duì)磁諧振的調(diào)節(jié)，分別總結(jié)了MEMS系統(tǒng)在諧振環(huán)上并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在串聯(lián)的情況下實(shí)現(xiàn)了不同頻帶電磁波吸收的調(diào)節(jié)，其設(shè)計(jì)思路和Gil等［23］的很相近，然而，MEMS系統(tǒng)的尺寸太大，不可能應(yīng)用在微小的帶隙上去實(shí)現(xiàn)其可調(diào)性能。

上述可以看出，加載集總元件和通過MEMS系統(tǒng)控制開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)可調(diào)寬頻超材料吸波體在實(shí)際應(yīng)用中還存在很大的困難，并且增加了超材料的整體尺寸，對(duì)于大規(guī)模的應(yīng)用更是一種挑戰(zhàn)，因此，這種可調(diào)寬頻超材料還有待進(jìn)一步的研究。

4 基于分形學(xué)的寬頻超材料設(shè)計(jì)

2002年Engheta［28］提出一種由超材料表面構(gòu)成的超薄吸收屏，與傳統(tǒng)超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不同的是，構(gòu)成這種超材料表面的結(jié)構(gòu)是希爾伯特曲線，他從理論上計(jì)算出這種超材料表面可以表現(xiàn)出高的阻抗，形成高阻抗表面，實(shí)現(xiàn)與空氣的阻抗匹配進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電磁波的高吸收。隨后 Mcvay等［29，30］進(jìn)一步研究了不同階數(shù)的希爾伯特曲線和皮亞洛曲線構(gòu)成的超材料表面的諧振規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)階數(shù)越高其諧振頻率越低，并且指出，由希爾伯特曲線等該類分形學(xué)曲線所構(gòu)成的超材料的最大優(yōu)勢(shì)是可以用非常小的周期單元實(shí)現(xiàn)低頻的諧振。

2009年Noor等［31］研究了雙層希爾伯特曲線構(gòu)成的超材料吸波體的吸波性能，重點(diǎn)觀察了介質(zhì)層參數(shù)對(duì)此超材料吸波體吸波性能的影響，同年，作者就該結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波極化的響應(yīng)作了更深入的研究［32］，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了其單站雷達(dá)散射面積，結(jié)果表明，入射波極化方式對(duì)該結(jié)構(gòu)的吸波性能影響不大，分析其面電流分布情況之后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種特點(diǎn)的原因是因?yàn)槠洳煌Y(jié)構(gòu)對(duì)入射波極化響應(yīng)不同，從而整體上表現(xiàn)出極化不敏感的特點(diǎn)。

根據(jù)分形學(xué)思想，張燕萍等［33］設(shè)計(jì)了一種基于樹枝結(jié)構(gòu)的超材料吸波體（圖3），雖然結(jié)構(gòu)不是嚴(yán)格的分形學(xué)圖案，但是每一級(jí)樹枝結(jié)構(gòu)確實(shí)帶有分形的特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，每一級(jí)樹枝結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了一個(gè)吸收峰，進(jìn)一步通過對(duì)樹枝結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)節(jié)使三個(gè)吸收峰擴(kuò)展成為一個(gè)完整的吸收峰從而實(shí)現(xiàn)了9.7～11.7GHz的寬吸收。由于此樹枝結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，所以這種超材料吸收體同時(shí)具有各向同性、寬吸收帶寬、高吸收率等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 設(shè)計(jì)樣品示意圖［33］ （a）基本結(jié)構(gòu)單元；（b）樹枝單元結(jié)構(gòu)Fig.3 The illustration of the design［33］（a）basic unit of the structure；（b）branching structure

根據(jù)傳統(tǒng)SRR結(jié)構(gòu)吸波機(jī)理的研究和分析可以看出，SRR結(jié)構(gòu)吸波就是LC諧振吸波［11］，分析其諧振規(guī)律可知，當(dāng)SRR結(jié)構(gòu)的線寬越大，環(huán)的圈數(shù)越多，其諧振頻率越低，因此想獲得低頻吸收，SRR結(jié)構(gòu)需要較大的尺寸，這就導(dǎo)致在非諧振頻段，SRR超材料結(jié)構(gòu)會(huì)有很大的反射，這不利于擴(kuò)展超材料吸波體的帶寬；而引入分形學(xué)曲線可改善這個(gè)問題，因?yàn)榉中螌W(xué)曲線的最大優(yōu)點(diǎn)就是能在很小的尺寸下實(shí)現(xiàn)低頻的諧振［29，34］。與此同時(shí)，分形學(xué)圖案的每一級(jí)都相當(dāng)一個(gè)微小的諧振單元，不需要犧牲吸波體的厚度去實(shí)現(xiàn)多頻段諧振，所以分形學(xué)圖案可能是未來超材料吸波體設(shè)計(jì)發(fā)展的一個(gè)理想方案。

綜上所述，不同結(jié)構(gòu)超材料吸波體的吸波機(jī)理及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，由機(jī)理對(duì)比分析可以看出，超材料獲得吸波性能最根本的方法是通過金屬單元的諧振吸收。而加寬其吸波頻帶的方法一是通過多單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多帶寬吸收［16，17］，二是通過加大消耗從而增加單峰的吸波帶寬［20］。僅僅從方法本身來看，多單元結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)多帶寬吸收，卻不容易實(shí)現(xiàn)寬頻吸收，改變消耗機(jī)制能增加單峰的帶寬卻不容易大規(guī)模制作。因此如何將這兩個(gè)方法有效地結(jié)合起來是未來超材料吸波體發(fā)展成為寬頻吸波材料的必經(jīng)途徑。

表1 不同吸波體的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 The comparison of the advantages and disadvantages of different absorber

5 結(jié)束語

本文主要對(duì)超材料吸波體頻帶擴(kuò)展的規(guī)律及其不同擴(kuò)展途徑的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，總結(jié)了不同超材料吸波體的吸波機(jī)理及其優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了基于分形學(xué)曲線的超材料設(shè)計(jì)方案及其作為吸波體的設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)，其很小的尺寸可以實(shí)現(xiàn)低頻諧振以及分形學(xué)圖案本身所具有的多級(jí)多諧振頻率的特征都可以用于吸波帶寬的擴(kuò)展，這就為超材料吸波體寬頻衰減吸收性能的發(fā)展提供了重要的研究方向。

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