一種具有透波吸波特性多層超表面的設(shè)計

竇興科

（中國電子長風科技有限責任公司 甘肅省蘭州市 730070）

1 引言

自由調(diào)控電磁波在眾多領(lǐng)域有非常重要的作用。例如，在濾波器和雷達天線罩領(lǐng)域，高度期望在一定頻率間隔內(nèi)實現(xiàn)電磁波完美傳輸特性[1]，而在與能量收集和隱身相關(guān)領(lǐng)域，具有高吸波效率的器件發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2-4]。此外，如果能將這兩種功能結(jié)合到同一裝置中，這種多功能器件在智能隱身天線罩及多基站雷達等存在潛在的應用價值[5-6]。但是，由于電磁波特有的性質(zhì)，傳統(tǒng)材料的散射和吸收具有強耦合特性，任意調(diào)控電磁波的反射，透射及吸收特性是非常困難的[7]。

人工電磁材料[8-10]的興起為制造此類光學器件提供了有效解決方案。其是由特定電磁特性的平面原子組成的二維結(jié)構(gòu)，具有很強的電磁波控制能力，可以實現(xiàn)電磁波的完美傳輸和吸收。有眾多研究已經(jīng)提出在所需頻段同時具有透波吸波特性的觀點。2012年，Costa 等設(shè)計了一種電阻膜吸波材料[11]，電阻膜結(jié)構(gòu)的吸波頻段避開了帶通頻段，在不影響帶通性能的同時，能夠保持高頻帶外吸收特性，從而實現(xiàn)了吸、透波一體化設(shè)計。2014年，南洋理工大學沈忠祥等通過將加載集總元件的吸收型結(jié)構(gòu)與透射型結(jié)構(gòu)結(jié)合，在滿足寬帶透波效果的同時在通帶兩側(cè)形成兩個強吸收峰[12]，2018年，空軍工程大學設(shè)計并實驗驗證了一種具有低頻吸收、高頻透射性能的結(jié)構(gòu)，通過將加載集總電阻的吸波層與具有頻譜濾波特性的低反高透層進行復合設(shè)計，獲得對特定頻段入射電磁波的選擇性吸收與透射，從而實現(xiàn)吸波與透波的一體化設(shè)計[13]。但是，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，利用Ka 波段進行衛(wèi)星通信具有帶寬較寬，干擾少，設(shè)備體積小等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，在此基礎(chǔ)上進一步增強隱身性能，可有效降低設(shè)備的雷達散射截面（RCS），減小被探測的可能性。而學術(shù)上對于此類研究報道較少

針對此類需求，本文提出了一種具有超短波高透，X-Ka 波段強吸收的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。首先給出了一般性工作原理，然后基于低頻透射型超表面與高頻吸收型超表面進行一體化設(shè)計，由仿真結(jié)果表明，復合型結(jié)構(gòu)在0～2.5 GHz 范圍內(nèi)的透射率大于80%，在14.4～35.8 GHz 范圍內(nèi)的吸收率大于80%，且具有重量較輕，成本低且易于制造等優(yōu)點。

圖1

圖2：低通高反型超表面示意圖

2 工作原理

本文所提出的低通高吸型超表面結(jié)構(gòu)由吸收層，介質(zhì)層，泡沫層及低通高反層構(gòu)成，如圖1（a）所示。其中介質(zhì)層和泡沫層對于吸收層及低通高反型金屬層起到了支撐作用，并且保證了整體結(jié)構(gòu)的力學性能。吸收層決定了整體結(jié)構(gòu)的吸波特性，要求其在高頻段具有良好的吸收特性的同時，對低頻段電磁波透明。低通高反型金屬層不僅提供了其透波特性且提升了吸收效率及帶寬，工作原理如圖1（b）所示。

需要特別注意上述只是定性的給出了低通高吸超表面的工作原理。在實際設(shè)計仿真過程中，多層結(jié)構(gòu)之間必然存在相互耦合作用，每層結(jié)構(gòu)不是孤立存在的。因此，本文給出了低通高反層超表面的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上引入吸收損耗層，進行一體化聯(lián)合仿真設(shè)計，最終實現(xiàn)具有低頻透波，高頻超寬帶吸波特性的超表面結(jié)構(gòu)。

3 低通高吸型超表面設(shè)計

圖3：不同的金屬尺寸下的S 參數(shù)譜線

圖4：吸收型超表面示意圖

圖5：不同阻值下的吸收譜線

本章節(jié)首先介紹了低通高反型超表面的設(shè)計及影響因素，接下來介紹吸收型超表面的設(shè)計及影響因素，最后通過吸收型超表面和低通高反型超表面進行復合設(shè)計實現(xiàn)吸透一體化功能。

3.1 低通高反型超表面設(shè)計

采用方環(huán)金屬結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻段高透和高頻段高反的頻選特性。如圖2 為所設(shè)計的低通高反型超表面結(jié)構(gòu)示意圖，由介質(zhì)基板上刻蝕一層方環(huán)金屬構(gòu)成。

利用CST Microwave Studio 電磁仿真軟件對上述結(jié)構(gòu)進行近似全波仿真，選擇周期型邊界條件，垂直激勵，電場沿X 方向等仿真選項。在仿真過程中，金屬銅的電導率設(shè)置為5.8×107S/m，選擇型號為F4BM-2（εr= 2.2, tan δ=0.002）的介質(zhì)基板。圖3 是金屬方環(huán)結(jié)構(gòu)線寬 w1在不同尺寸下的透波譜線和反射譜線，由仿真結(jié)果可知，隨著w1越寬，低頻段的透波效率越強，帶寬越寬，高頻段的阻波特性越強以及阻帶帶寬越寬。尺寸不同，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的電磁性能不同，合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)才可以提供較好的透/阻波帶寬特性。

圖6

圖7：正入射情況下的譜線圖

3.2 吸收層超表面設(shè)計

該吸波超表面由刻蝕在介質(zhì)基板上的金屬結(jié)構(gòu)與復合貼片電阻構(gòu)成，如圖4所示。金屬結(jié)構(gòu)采用井字形結(jié)構(gòu)，復合貼片電阻鑲嵌在井字形結(jié)構(gòu)的縫隙中。此種形式的吸波結(jié)構(gòu)，能夠有效保證電磁波寬頻段、寬角度的吸波特性。

表1：性能指標對比

圖8：不同入射角度下垂直極化的譜線圖

圖9：不同入射角度下水平極化的譜線圖

由于吸收層結(jié)構(gòu)僅由一層基板構(gòu)成，無金屬背板，因此，吸收效率最高可達50%。圖5 是不同的電阻值對于該結(jié)構(gòu)的影響，從仿真結(jié)果可以看出，隨著阻值的增加，吸收效率增強以及吸收帶寬變寬，但阻值并不能無限增大，超過一定的阻值反而會使得吸收特性下降，因此，通過模擬得出合適的電阻阻值才能使得吸收性能最好。

3.3 吸透型超表面一體化設(shè)計

復合單元結(jié)構(gòu)如圖6所示，由兩層印刷電路板組成，各功能層之間用泡沫材料連接（εPMI=1.15）。在介質(zhì)基板上印刷金屬結(jié)構(gòu)，可以看出，第一層是吸收層，選擇方環(huán)金屬柵格作為單元結(jié)構(gòu)，并且將電阻器焊接在金屬條之間以提供在高頻段的吸收。第二層是低通高反層，其可通過利用金屬微結(jié)構(gòu)的特性在低頻段中實現(xiàn)良好的傳輸性能，同時，金屬結(jié)構(gòu)的諧振會使得局域場急劇增強，在達到阻抗匹配的情況下，電阻會對入射電磁波產(chǎn)生強損耗，實現(xiàn)高頻段的強吸收。

采用上述仿真方法對所設(shè)計結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化，使其滿足低頻透射，高頻吸收的設(shè)計要求。優(yōu)化后的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：h1=0.25 mm, h=2 mm, h2=0.25 mm, p=3.5 mm, l=3.3 mm, s=2.5 mm, d=0.6 mm,w=0.5 mm, R=250 Ω, s1=2.5 mm, w1=0.9 mm。

4 仿真和結(jié)果

圖7 給出了該結(jié)構(gòu)在正入射下的透射率和吸波率。由圖7 （a）可知，0～2.5 GHz 透射率超過80%。在不考慮散射的情況下，定義總能量由反射（S11），透射（S21）和吸收組成，因此吸收率（A）為：

A=1-|S11|2-|S21|2

通過仿真可以獲得0～40GHz 范圍內(nèi)的S11和S21，利用上述公式來計算超表面的吸收率，吸收曲線如圖7（b）所示。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在14.4～35.8 GHz 范圍內(nèi)，吸收率超過80%，而在16～32.8 GHz 范圍內(nèi)，吸收率均大于90%。

在不同入射角下，該結(jié)構(gòu)的頻率響應曲線如圖8-9所示。從圖中可以看出，隨著入射角度的增加，兩種極化狀態(tài)下，0～2.5 GHz的透波損耗基本無變化。對于垂直極化而言，隨著入射角度的增加導致吸收譜線出現(xiàn)壞點，帶寬基本無影響，水平極化使得吸收帶寬變窄?？傮w來看，在0°～45°入射角度內(nèi)，新型結(jié)構(gòu)的性能基本趨于穩(wěn)定。

5 討論

類似結(jié)構(gòu)的定量比較如表1所示。對于基于Ka 波段的衛(wèi)星通信設(shè)備不僅需要良好的信號傳輸性能，為降低被探測的風險，還需具有強大的隱身能力。從表1 可以看出，本文提出的新型超表面吸收帶寬覆蓋X-Ka 波段，相對帶寬大于參考文獻[11、13]。

6 結(jié)論

本文提出了一種低通高吸型超表面的新型設(shè)計方案。其中吸波型超表面主要決定結(jié)構(gòu)的吸波特性，低通高反層超表面主要決定結(jié)構(gòu)的透特性。仿真結(jié)果表明，在低頻段（0～2.5 GHz）透射率大于80%，高頻段（14.4～35.8 GHz）的吸收率達到80%，相對帶寬達到85%。在 0°～45°掃描范圍內(nèi), 低頻段透波插損無變化，吸收頻段帶寬略變窄，整體性能基本穩(wěn)定這種新穎的超表面在雷達隱身以及減少設(shè)備之間電磁干擾等領(lǐng)域具有重大意義。同時具有成本低，易加工等優(yōu)勢。當然，缺陷在于該設(shè)計未通過實驗驗證。