電磁超材料吸波器的相關(guān)研究

羅婷　高勝凱

【摘要】 電磁超材料吸波器是基于超材料的電磁諧振吸收器，通過(guò)合理設(shè)計(jì)器件的物理尺寸及材料參數(shù)，能夠與入射電磁波的電磁分量產(chǎn)生耦合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射到吸收器的特定頻帶內(nèi)的電磁的吸收。隨著科學(xué)的發(fā)展，電磁超材料吸波器應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域，本文分類(lèi)介紹了吸收器的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，最后對(duì)齊發(fā)展趨勢(shì)作了探討。

【關(guān)鍵詞】 超材料 吸波器 電磁

一、極化不敏感及寬角度入射型吸收器

西北工業(yè)大學(xué)趙曉鵬等人設(shè)計(jì)的一種具有分形結(jié)構(gòu)的超材料吸收器，采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0.8mm的環(huán)氧酚醛玻璃纖維PCB基板的一面上刻蝕出金屬樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，另一面為金屬薄膜。金屬樹(shù)枝的三級(jí)分支長(zhǎng)度分別為1.2mm、0.9mm、0.8mm，單元晶格間距為10.0mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示吸收率達(dá)到99.88%。

上述吸收器在參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后獲得了比較高的吸收率，但是對(duì)于不同角度入射的電磁波，其吸收率就未必能達(dá)到預(yù)想的效果。為了能更大限度地發(fā)揮超材料吸收器的應(yīng)用價(jià)值，林先其等人設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)寬角度入射電磁波超材料吸收器。

該吸收器包括周期性排列的單元吸波結(jié)構(gòu)每個(gè)單元結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板的正面金屬結(jié)構(gòu)、介質(zhì)基板的背面金屬結(jié)構(gòu)和介質(zhì)基板。其中，介質(zhì)基板的正面金屬結(jié)構(gòu)由2條相同且中心相互交叉的“直線形”第一金屬分支線構(gòu)成，所述2條第一金屬分支線之間的夾角均為90度；所述每條第一金屬分支線的兩端均具有與該條第一金屬分支線相切連接的“弧線形”第二金屬分支線；所述第二金屬分支線之間形成一個(gè)具有4個(gè)相同缺口的圓環(huán)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在11.2GHz附近，|S11|有明顯吸收峰，|S21|在相對(duì)帶寬很大的范圍內(nèi)都能小于-18dB，即反射和透射都很小，實(shí)現(xiàn)了很好的電磁波吸收，在0-45度范圍內(nèi)，入射角的變化對(duì)結(jié)構(gòu)吸波效果影響不大。

二、雙頻及多頻吸收器

東南大學(xué)的崔鐵軍教授提出了一種多頻段微波吸收結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)環(huán)狀的人工電磁材料1、金屬背板3和安裝在人工電磁材料1和金屬背板3之間的介質(zhì)基板2，多個(gè)人工電磁材料1相互嵌套且同心安裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)改變?nèi)斯る姶挪牧?的個(gè)數(shù)和通過(guò)調(diào)節(jié)人工電磁材料1內(nèi)環(huán)與外環(huán)周長(zhǎng)的比例，可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)多頻段的完美吸收。

此外，由于人工電磁材料1的形狀為沿水平方向及垂直方向均對(duì)稱(chēng)的多邊形或圓形，多頻段微波吸收器在不同極化下的大角度斜入射波均有良好的吸收效果，此特點(diǎn)使得其在實(shí)際應(yīng)用下有更大的發(fā)展前景。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該雙頻段微波吸收器在4.06GHz和6.66GHz分布呈現(xiàn)99.6%和95.8%的吸收率；在入射角達(dá)到50度時(shí)依然保持83%以上的吸收率。該雙頻段微波吸收器在4.06GHz、6.73GHz以及9.22GHz呈現(xiàn)99.1%、93%以及95%的吸收率；在入射角達(dá)到50度時(shí)依然保持90%以上的吸收率。

三、寬頻吸收器

寬頻段吸收器也是一直研究的熱點(diǎn)，深圳光啟高等理工研究院提出了一中寬頻帶吸波材料，由多個(gè)阻抗均勻的超材料片層3沿垂直于片層表面方向堆疊形成，可以通過(guò)調(diào)整每一超材料片層3所附著的人造微結(jié)構(gòu)2的圖形和幾何尺寸使每一超材料片層3的等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ相等進(jìn)而滿足阻抗匹配特性。

進(jìn)一步的根據(jù)入射電磁波的頻率段設(shè)計(jì)各超材料片層3所附著的人造微結(jié)構(gòu)2的諧振頻率，使得入射的各個(gè)頻率段的電磁波與不同超材料片層3的人造微結(jié)構(gòu)2產(chǎn)生電磁共振，此時(shí)射入吸波超材料的電磁波被不同的超材料片層3吸收，實(shí)現(xiàn)了較完美的吸波效果。吸波超材料的各個(gè)超材料片層3附著有不同圖形和幾何尺寸的人造微結(jié)構(gòu)2以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率段的電磁波進(jìn)行吸收。

四、可調(diào)諧型吸收器

超材料吸收器的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但仍有不足，例如，開(kāi)口諧振環(huán)的尺寸一旦固定，吸收頻率就不可調(diào)了，所以，可調(diào)諧型完美吸收器也受到了大家的關(guān)注，電子科技大學(xué)的文光俊等人提出了一種基于亞鐵磁體的可調(diào)諧負(fù)磁導(dǎo)率超材料，三頻負(fù)磁導(dǎo)率超材料單元結(jié)構(gòu)置于波導(dǎo)中，波導(dǎo)沿z方向設(shè)置為電壁，沿x方向設(shè)置為磁壁，沿y方向?yàn)槿肷潆姶挪ǖ膫鞑シ较?。通過(guò)對(duì)單環(huán)雙磁諧振環(huán)加載亞鐵磁體，可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)三頻負(fù)磁導(dǎo)率電磁超材料，并且該三個(gè)負(fù)磁導(dǎo)率工作頻段能隨外加直流磁場(chǎng)改變而產(chǎn)生頻移，拓寬了三頻負(fù)磁導(dǎo)率的工作頻帶。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電磁超材料吸收器取得了巨大的發(fā)展，也存在不足，如各向異性、帶寬較窄等，另外，在性能上也很難達(dá)到100%的吸收。未來(lái)，超材料吸收器在寬頻吸收、可諧型吸收器以及與功能結(jié)合的方向有望得到進(jìn)一步發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] “電磁超材料吸收器的研究進(jìn)展”，趙碧輝，《電子元件與材料》，2011年11月，第11期第30卷

[2] “雙波段超材料吸收器”，沈曉鵬，《2011年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集》，2011年