一種多層電阻膜加載寬頻吸波結(jié)構(gòu)

房新蕊 王茜 張慶東 孟平 劉開業(yè)

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，高性能電磁窗航空科技重點實驗室 山東省濟(jì)南市 250023）

2008年，Landy 等[1]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”特性的電磁耦合結(jié)構(gòu)吸波體。隨后，研究人員提出了各種極化無關(guān)和寬入射角等特性的吸波體。為了展寬吸波頻帶，N. Llombart 等[2]利用加載在諧振單元上的阻抗元件實現(xiàn)對入射能的存儲和消耗，達(dá)到拓展帶寬的目的；沈曉鵬等[3]利用電阻型超材料設(shè)計的吸波體可以實現(xiàn)超寬帶吸收。

傳統(tǒng)的吸波體多依賴于金屬結(jié)構(gòu)的電磁諧振（相對于頻率的變化較不穩(wěn)定），其表面阻抗只能在諧振頻率附近極窄的頻帶內(nèi)與自由空間阻抗匹配，因而帶寬極窄[4-8]。為了實現(xiàn)寬頻帶的吸波體，采用電阻膜替代金屬結(jié)構(gòu)，將電磁諧振轉(zhuǎn)化為電路諧振?；诖耍疚脑O(shè)計了多層電阻膜組合的吸波結(jié)構(gòu),并采用有限元算法對這種結(jié)構(gòu)的吸波特性進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。

1 吸波材料衰減機(jī)理

如圖1 所示，當(dāng)電磁波作用在吸波材料上時，若能量的吸收是由極化過程中電介質(zhì)損耗引起，即由復(fù)介電常數(shù)ε=ε’-jε”中的虛部ε”引起，稱之為電損型吸收材料；若能量的吸收是由磁化過程中磁介質(zhì)損耗引起，即由復(fù)磁導(dǎo)率μ =μ’-jμ”中的虛部μ”所致，稱之磁損型吸收材料。描述材料吸收性能的物理量是材料的衰減常數(shù)，對于電損型和磁損型材料分別為：

由上可知，|μ|、|ε|、ε”、μ”越大則材料吸收電磁波能力越強(qiáng)，吸收效果越好。

綜上，如圖2 所示，要獲得性能優(yōu)良的吸波材料，必須綜合考慮阻抗匹配和衰減匹配2 種因素，尤其是材料的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和厚度參數(shù)等。

2 數(shù)值仿真分析

圖1：電磁波入射示意圖

圖2：吸波材料結(jié)構(gòu)示意圖

圖3：多層電阻膜吸波結(jié)構(gòu)

利用商業(yè)電磁分析軟件HFSS 建立多層電阻膜組合型吸波結(jié)構(gòu)模型，如圖3 所示。各層電阻膜結(jié)構(gòu)可等效為一有效阻抗，適當(dāng)時在諧振頻點處實現(xiàn)有效吸波。

如圖4 所示，通過對該結(jié)構(gòu)的電阻膜阻值、結(jié)構(gòu)、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)進(jìn)行自動優(yōu)化設(shè)計，得到如下參數(shù)。

單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為p=7.5mm；a1=0.82mm，方阻R1=500~ 800Ω/□；a2=1.73m，方阻R2=390Ω/ □；a3=3.65mm，R3=50～150Ω/ □。其中，金屬材料為厚度0.018mm、電導(dǎo)率為5.8*107S/m 的銅；中間層為介電常數(shù)為1.8、損耗角正切為0.05 的介質(zhì)板。

圖4：單元尺寸結(jié)構(gòu)圖

吸波結(jié)構(gòu)主諧振模式的頻率可通過基本單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計而進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖5 和圖6 所示，該吸波結(jié)構(gòu)兩個極化下3GHz~10GHz 頻帶內(nèi)吸收效果都在-10dB 以上。

可以看出該吸波結(jié)構(gòu)通過對幾何參數(shù)調(diào)控可以實現(xiàn)寬頻強(qiáng)吸收。

圖5：S11 仿真曲線（垂直極化）

圖6：S11 仿真曲線（水平極化）

3 結(jié)論

本文提出了多層電阻膜組合型超材料吸波結(jié)構(gòu)，通過有限元算法分別對其吸波特性進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果表明：在3GHz-10GHz 頻率范圍內(nèi)，超材料吸波結(jié)構(gòu)通過幾何參數(shù)的設(shè)計實現(xiàn)了寬帶強(qiáng)吸收。同時，根據(jù)不同極化角和不同入射角下吸波結(jié)構(gòu)反射率表明，該結(jié)構(gòu)具有極化不敏感和寬入射角特性。