方形螺旋超材料吸波器的設(shè)計研究

張改平 王愛霞 閆明寶 雷興罡 蔣進明 王靜荔

摘? 要： 文中設(shè)計一種方形螺旋超材料吸波器。為了更好地理解方形螺旋的吸波機理，將方形螺旋與閉合方環(huán)結(jié)構(gòu)進行比較，以期為實現(xiàn)高靈敏度吸波器提供理論依據(jù)。仿真結(jié)果表明：超材料表面方形螺旋為一圈時，在4.22 GHz，6.80 GHz處吸收率分別為98.83%和95.47%;方形螺旋為兩圈時，在4.22 GHz，4.38 GHz和6.86 GHz處吸收率分別為97.37%，84.9%和98.46%;當方形螺旋增加至三圈時，在4.22 GHz，4.44 GHz，5.32 GHz和6.96 GHz處出現(xiàn)了4個吸收峰值，吸收率分別為99.36%，78.2%，93.27%和94.86%。結(jié)果表明，隨著螺旋間距的增大，吸收頻帶發(fā)生了藍移，因此，所設(shè)計吸波器能實現(xiàn)更強諧振及更加簡便的性能調(diào)節(jié)方式。

關(guān)鍵詞： 吸波器; 螺旋形超材料; 螺旋結(jié)構(gòu); 諧振; 吸收率分析; 仿真設(shè)計

中圖分類號： TN263?34; E928.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0015?03

0? 引? 言

超材料[1]是指具有天然材料所不具備的超常電磁性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或材料。通過設(shè)計特定的結(jié)構(gòu)或選擇特殊的介質(zhì)材料，可獲得一些性能獨特的器件。超材料的特性可以用有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來表征，而有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率則可通過改變材料在特殊結(jié)構(gòu)中的物理尺寸來調(diào)控。因此，超材料的優(yōu)勢是可人為設(shè)計，任意控制。由于超材料獨特的物理特性，其應(yīng)用前景非常廣泛。應(yīng)用范圍覆蓋工業(yè)、軍事、生活等各個方面。超材料非常重要的應(yīng)用是能有效吸收入射電磁波，在軍事中達到隱身的目的。

完美超材料吸波器[2]由Landy于2008年率先提出，這種超材料吸波器具有類似于三明治的三層結(jié)構(gòu)。隨著材料制備水平及微觀結(jié)構(gòu)表征能力的不斷改進與提高，吸波頻段從微波段逐步擴展到太赫茲頻段、紅外波段[3]和光波段[4?5]，吸收頻帶由單頻帶發(fā)展到多頻帶、寬頻帶[6?7]等。

螺旋天線因具有較高的增益和良好的圓極化性能，被廣泛地應(yīng)用在微波領(lǐng)域的無線設(shè)備的發(fā)射端和接收端。但到目前為止，國內(nèi)外鮮有表面諧振器為連續(xù)螺旋環(huán)超材料吸波器的報道。陳哲耕等人利用螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)的特殊性，將螺旋天線貼片與超材料結(jié)構(gòu)結(jié)合，完美地實現(xiàn)了太赫茲波段的高吸波率[8]。據(jù)此，本文設(shè)計一種方形螺旋周期性結(jié)構(gòu)，為了更好地理解方形螺旋的吸波機理，將方形螺旋與閉合方環(huán)結(jié)構(gòu)進行比較，以期為實現(xiàn)高靈敏度吸波器提供理論依據(jù)。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 方形螺旋圈數(shù)變化對吸收率的影響

圖2為具有一、二、三圈方形螺旋超材料結(jié)構(gòu)吸收率曲線。

當吸波器表面僅由一圈方形螺旋組成時，超材料在4.22 GHz，6.80 GHz處的吸收率分別為98.83%和95.47%;當吸波器表面方形螺旋圈數(shù)變?yōu)閮扇r，超材料在4.22 GHz，4.38 GHz，6.86 GHz處吸收率分別為97.37%，84.9%，98.46%;當吸波器表面螺旋圈數(shù)增加至三圈時，在4.22 GHz，4.44 GHz，5.32 GHz，6.96 GHz處出現(xiàn)了4個吸收峰值，吸收率分別為99.36%，78.2%，93.27%和94.86%。

圖3a）和3b）分別為方形螺旋一圈時在4.22 GHz和6.80 GHz處電場沿z軸分布圖。圖3a）顯示在螺旋金屬結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生電偶極子振蕩，從而產(chǎn)生強烈的局域化電場分布，增強了此區(qū)域的介電損耗。圖3b）顯示在螺旋金屬結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生電四極子振蕩，將電磁場局域在此區(qū)間，大部分能量被介質(zhì)基板損耗掉。圖3c）～圖3e）分別為方形螺旋兩圈時，在4.22 GHz，4.38 GHz，6.86 GHz處的電場分布圖。圖3c）顯示在低頻時外層螺旋臂電場強度大，表明螺旋結(jié)構(gòu)外層區(qū)域電偶極子強烈震蕩產(chǎn)生較強的介電損耗。圖3d）為方形螺旋兩圈時在4.38 GHz處的電場分布圖，可以看出該諧振是由螺旋結(jié)構(gòu)單元之間的諧振引起。圖3e）顯示高頻時內(nèi)層螺旋臂電場強度大，致使介質(zhì)基板產(chǎn)生較強的介電損耗。圖3f）～圖3i）分別為方形螺旋三圈時，在4.22 GHz，4.44 GHz，5.32 GHz和6.96 GHz處電場的分布圖。由前述分析可知，低頻吸收峰由最外層螺旋結(jié)構(gòu)偶極子強烈諧振產(chǎn)生，高頻吸收峰由內(nèi)層螺旋結(jié)構(gòu)偶極子強烈諧振產(chǎn)生。圖3f）～圖3i） 驗證了這一結(jié)論。通過比較一圈、兩圈和三圈這三種螺旋結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著螺旋圈數(shù)的增加，超材料吸波器的吸收頻帶增多，這是因為增加的螺旋結(jié)構(gòu)可與其鄰近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的耦合作用[9]。因此，可通過調(diào)節(jié)螺旋圈數(shù)增加吸收頻帶。

另外，還可根據(jù)駐波理論[10]，計算出相應(yīng)的諧振頻率。諧振頻率公式為：[fn=cλn=c2ln?εre]。其中，[λn]是駐波波長;[ln]是兩節(jié)點間的長度;[εre=εr+12]。經(jīng)計算，外圈在4.89 GHz、內(nèi)圈在6.57 GHz產(chǎn)生諧振。理論計算諧振頻率與仿真結(jié)果基本吻合。

2.2? 不同結(jié)構(gòu)圈數(shù)變化對吸收率的影響

為了更好地理解方形螺旋環(huán)超材料的吸波機理，本文研究了閉合方環(huán)超材料吸波器的吸收率。閉合方環(huán)超材料表面結(jié)構(gòu)參數(shù)（環(huán)寬和環(huán)間距）均與方形螺旋相同，圖4為閉合方環(huán)超材料吸波器的吸收率曲線。

當吸波器表面僅有一圈方環(huán)時，在4.26 GHz吸收率為86.70%;當吸波器表面為兩圈方環(huán)時，在4.32 GHz吸收率為84.40%;當吸波器表面方環(huán)數(shù)增加至三圈時，在4.42 GHz和6.82 GHz吸收率分別為83.10%和83.30%。圖4表明在環(huán)寬和環(huán)間距相同的情況下三種閉合方環(huán)超材料結(jié)構(gòu)吸收率均不及方形螺旋超材料結(jié)構(gòu)高。

圖5為閉合方環(huán)不同圈數(shù)時的電場分布圖。對比螺旋環(huán)和閉合環(huán)電場分布圖，發(fā)現(xiàn)低頻吸收率均由外圈環(huán)的諧振引起，但螺旋結(jié)構(gòu)比閉合方環(huán)吸收頻帶多。這是因為，這種連續(xù)不對稱的螺旋結(jié)構(gòu)使內(nèi)圈和外圈中的振蕩均增強，將電磁場局域在此區(qū)間，大部分能量被介質(zhì)基板損耗掉。

2.3? 環(huán)間距變化對方形螺旋超材料吸收率的影響

為了更進一步研究方形螺旋超材料的吸波機理，本文試圖改變環(huán)間距。圖6為不同環(huán)間距時方形螺旋超材料吸波器的吸收率曲線。仿真結(jié)果表明：隨著環(huán)間距的增大，諧振頻率發(fā)生藍移。這一結(jié)果與駐波理論相一致，即隨著螺旋間距的增大，內(nèi)圈螺旋環(huán)尺寸減小，駐波波長減小，諧振頻率隨即增大。因此，可通過改變螺旋間距就能調(diào)節(jié)螺旋超材料吸波器的諧振頻率。仿真結(jié)果還顯示，間距為0.3 mm時，3個吸收峰值顯著增強，表明此種螺旋結(jié)構(gòu)諧振最強，介質(zhì)板能量損耗最大。

3? 結(jié)? 語

本文設(shè)計了一種方形螺旋超材料吸波器。通過研究不同圈數(shù)方形螺旋超材料吸波器的吸波率，得出以下結(jié)論：當電磁波入射時可在金屬螺旋環(huán)上產(chǎn)生駐波，將電磁場局域在此區(qū)間，致使介質(zhì)基板產(chǎn)生較強的介電損耗。低頻吸收峰值主要是由外圈螺旋環(huán)諧振引起，高頻吸收峰值主要是由內(nèi)圈螺旋環(huán)諧振引起，這一結(jié)論與駐波理論一致;方形螺旋超材料的諧振比閉合方環(huán)強，且吸收頻帶多。因此，在材料和金屬寬度相同的條件下，螺旋結(jié)構(gòu)吸波效果優(yōu)于閉合方環(huán)。

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