基于阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的三頻超材料吸收器

馬巖冰，鄭文泉，張宇環(huán)，邵曉龍，吳 楠

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

基于阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的三頻超材料吸收器

馬巖冰，鄭文泉，張宇環(huán)，邵曉龍，吳 楠

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

超材料吸收器在熱輻射探測(cè)、熱成像以及生化物質(zhì)檢測(cè)等方面具有巨大的、潛在的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)此應(yīng)用需求，提出了一種以非頻變結(jié)構(gòu)——四臂阿基米德螺旋為諧振單元的超材料吸收器結(jié)構(gòu)。基于非頻變結(jié)構(gòu)自身的相似性，該型吸收器在4.35 GHz、6.28 GHz和8.76 GHz處存在3個(gè)吸收率分別為97.3%、97.3%和97.2%的吸收峰，且由于自身結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，其還表現(xiàn)出對(duì)入射波極化不敏感、吸收效率受入射角度影響小的優(yōu)異性能。分別采用等效介質(zhì)理論對(duì)所提出的吸收器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合測(cè)試驗(yàn)證了這2種理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均具有很好的一致性。

超材料;吸收器;阿基米德螺旋;三頻

0 引言

超材料吸收器概念由波士頓大學(xué)的Landy等人于2008年首次提出［1］。超材料吸收器本質(zhì)上是一種諧振結(jié)構(gòu)，由上層電諧振單元、中間的介質(zhì)層和下層金屬地板構(gòu)成。諧振結(jié)構(gòu)可以通過(guò)等比縮放自由控制其工作頻段，因此超材料吸收器的工作范圍可以覆蓋射頻、微波、太赫茲以致光波段的寬廣頻譜空間，其在工程上的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在熱輻射探測(cè)［2］、熱輻射成像［3］和生化物質(zhì)檢測(cè)［4］等 3個(gè)方面。超材料吸收器良好的頻率適應(yīng)性和巨大的市場(chǎng)前景吸引了大批科研人員和工程技術(shù)人員的關(guān)注，近年來(lái)，其結(jié)構(gòu)形式的演變也得到了極大加速，大量形式各樣的新穎結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)出來(lái)，其中包括電場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)［5］、分形結(jié)構(gòu)［6］和各種頻率選擇表面結(jié)構(gòu)［7］等，其發(fā)展趨勢(shì)是:工作頻帶廣譜化［8］、多頻化［9］、寬頻化［10］，單元尺寸小型化，吸收性能的極化穩(wěn)定度更高［11］、隨入射角變化的程度更低［12］。本文將四臂阿基米德螺旋這種非頻變結(jié)構(gòu)應(yīng)用到超材料吸收器中，取得了三頻吸收、極化穩(wěn)定、受入射角影響小的優(yōu)異性能，采用了目前流行的等效介質(zhì)理論和多種干涉理論對(duì)該型吸收器進(jìn)行了對(duì)比分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)其吸收性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)仿真與理論分析

1．1 仿真設(shè)計(jì)

非頻變結(jié)構(gòu)是一種在形式上具有自相似特性的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其結(jié)構(gòu)尺寸與工作頻率按相同比例變化時(shí)，其電性能保持不變或變化很小。在工程應(yīng)用中較常見(jiàn)的包括阿基米德螺旋、等角螺旋、對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)等以及基于這些結(jié)構(gòu)的各種變形體。本文將阿基米德螺旋引入到超材料吸收器的上層諧振結(jié)構(gòu)中，對(duì)其在不同入射角下的吸波性能進(jìn)行了分析。在直角坐標(biāo)系下阿基米德螺旋線的建構(gòu)方程:

式中，t、a、r分別為螺旋線轉(zhuǎn)過(guò)的角度、螺旋增長(zhǎng)率、螺旋起始點(diǎn)與原點(diǎn)的間距。為了使吸收器在各種入射角下均能表現(xiàn)出良好的吸收性能，需要吸收器在結(jié)構(gòu)上具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，因此可將螺旋線以90°旋轉(zhuǎn)4次得到具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的四臂阿基米德螺旋線?；谶@種結(jié)構(gòu)的超材料吸收器在HFSS中的仿真模型如圖1所示。

圖1 基于四臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的超材料吸收器結(jié)構(gòu)

各項(xiàng)尺寸為:r=0．2 mm，a=0．44，n=3．9，線寬w=0．3 mm，單元周期p=11．5 mm。單元結(jié)構(gòu)處于厚度d=1．2 mm、εr=4．6(1－j0．025)的介質(zhì)板表面，吸收器下表面的全金屬覆蓋形式使得入射波不能穿透，透射率T(w)= S122=0;以Floquet端口模擬入射和出射波，以主從邊界模擬單元結(jié)構(gòu)的無(wú)限周期形式。吸收率的計(jì)算公式為:

A(w)=1－T(w)－R(w)=1－ S112。

吸收器的仿真結(jié)果如圖2所示，分別在4．35 GHz、6．28 GHz和8．76 GHz處可以觀測(cè)到3個(gè)吸收率為97．3%、97．3%和97．2%的吸收峰。

圖2 四臂阿基米德螺旋吸收器反射與吸收特性

1．2 等效介質(zhì)理論

目前，學(xué)術(shù)界普遍采用等效介質(zhì)理論或干涉理論［13］來(lái)解釋超材料吸收器內(nèi)在的物理本質(zhì)。等效介質(zhì)理論把超材料吸收器視為一種等效媒質(zhì)，并采用材料屬性ε(ω)和μ(ω)來(lái)表征這種媒質(zhì)。在入射波電場(chǎng)的作用下，吸收器上層周期陣列產(chǎn)生電諧振，其作用等同于等效媒質(zhì)中的 ε(ω)。入射波同時(shí)會(huì)在諧振陣列和金屬地板之間產(chǎn)生反平行電流，這種電流所引起的磁響應(yīng)等同于等效媒質(zhì)中的μ(ω)。改變諧振單元的結(jié)構(gòu)形式和周期，以及層間距可以達(dá)到調(diào)整ε(ω)、μ(ω)以實(shí)現(xiàn)Z～(ω)/Z0==1(Z0為自由空間特征阻抗)的目的，此時(shí)吸收器上表面處的輸入阻抗與自由空間阻抗實(shí)現(xiàn)匹配，對(duì)入射波的反射率為零，由吸收率計(jì)算公式可知，此時(shí)在頻率ω處超材料吸收器對(duì)入射波實(shí)現(xiàn)了完美吸收。將圖2中3個(gè)吸收頻率處的反射系數(shù)代入式(2):

可得吸收頻率處吸收器的表面歸一化阻抗。如圖3所示，四臂阿基米德螺旋超材料吸收器在其3個(gè)吸收頻率處的歸一化阻抗分別為0．76－j0．17、1．15+ j0．33、1－j0．34，都基本實(shí)現(xiàn)了與自由空間的阻抗匹配。

圖3 吸收器上表面與自由空間分界面處的相對(duì)輸入阻抗

等效介質(zhì)理論認(rèn)為超材料吸收器的吸收現(xiàn)象源自于其表面電流的偶極子諧振。如圖4所示，阿基米德螺旋吸收器在第1吸收頻率處的表面電流主要集中分布于上層諧振單元和下層地板的邊緣位置，其分布形式與傳統(tǒng)圓環(huán)形吸收器相仿。隨著吸收頻率的升高，地板上起偶極子諧振作用的電流所流經(jīng)的路徑越來(lái)越短，此時(shí)可以從圖4(c)和圖4(d)中看出，在第2吸收模式、第3吸收模式下，吸收器的有效諧振區(qū)越來(lái)越集中于地板中心。

圖4 吸收器上層諧振表面和下層地板表面處的電流分布

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該型吸收器采用傳統(tǒng)PCB工藝制備，其上層由約18×18個(gè)四臂阿基米德單元組成，中間與地板的隔離層采用介電常數(shù)為4．6的FR4介質(zhì)板，加工實(shí)物如圖5所示。

在TE(E→‖Y軸)極化的入射波照射下，入射角由6°變化至60°的過(guò)程中，4．32 GHz處的吸收效率減弱的幅度較大，從92．9%減小至54．6%;而位于6．32 GHz處的吸收峰其吸收率在 60°時(shí)仍保持86．4%的較高水平;8．72 GHz處的吸收效率的變化趨勢(shì)相似于第一吸收峰，入射角度對(duì)吸收效率有較為明顯的減弱作用，吸收率從6°時(shí)為93．7%，而在60°時(shí)僅為68．8%。當(dāng)入射波為T(mén)M(E→‖X軸)極化時(shí)，吸收率隨入射角的變化在3個(gè)吸收峰處的變化都不明顯，在60°時(shí)都仍保持著較高吸收率，分別為91．7%、86．1%和92．5%。

圖5 超材料吸收器測(cè)試樣品與局部放大

TE極化和TM極化測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6TE極化

圖7TM極化

從圖6和圖7中可以看出，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果之間取得了很好的一致性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試了一種基于四臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的新型超材料吸收器，其在性能上表現(xiàn)出三頻吸收、對(duì)入射波極化不敏感、吸收率隨入射角度改變不明顯等優(yōu)異性能。該型吸收器的三頻吸收性能源于阿基米德螺旋的自相似結(jié)構(gòu)，在太赫茲成像領(lǐng)域，這意味著相同尺寸上將獲得更多的像素點(diǎn)，使得多譜成像系統(tǒng)的信息提取能力得到極大增強(qiáng)。采用等效介質(zhì)理論分析了該型吸收器在其吸收頻率處的表面阻抗，并指出其三頻吸收特性源自于表面電流在不同諧振區(qū)域的偶極子諧振。雖然設(shè)計(jì)的吸收器工作于微波頻段，但由于這種結(jié)構(gòu)具有諧振性，通過(guò)尺寸縮比可以使其工作于太赫茲以致光波頻段。

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Triple-band Metamaterial Absorber Based on Archimedes Spiral Curves

MA Yan-bing，ZHENG Wen-quan，ZHANG Yu-huan，SHAO Xiao-long，WU Nan

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China)

Metamaterial absorber(MA)has great potential application value in thermal radiation detection，thermal imaging and biochemical substance detection．The paper presents a triple-band MA，which is composed of periodically arranged Archimedes spiral curves array and a metal ground separated by a dielectric spacer．Based on the self-similarity characteristic of the frequency-independent structure，three absorption peaks can be observed at 4．35 GHz，6．28 GHz and 8．76 GHz with absorptivity of 97．3%，97．3%and 97．2% respectively．Due to its rotationally symmetric pattern，the presented MA is insensitive to the polarization of the incident waves and can perform well at a wide range of incident angles．The effective medium theory has been employed to investigate the underlying physical mechanism of the fractal MA，and good agreements between simulation and experimental results have been achieved．

metamaterials;absorber;archimedes spiral;triple-band

TN015

A

1003－3106(2017)02－0061－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．15

馬巖冰，鄭文泉，張宇環(huán)，等．基于阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的三頻超材料吸收器［J］．無(wú)線電工程，2017，47(2):61－64．

2016-11-09

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA034102);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61371053，61271038，51472042)。

馬巖冰男，(1979—)，博士，工程師。主要研究方向:天線與射頻電路。

鄭文泉男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向:天線與射頻電路。