基于等效介質(zhì)原理的寬角超材料吸波體設(shè)計(jì)*

吳雨明 王任 丁霄 王秉中

(電子科技大學(xué)， 應(yīng)用物理研究所， 成都 611731)

超材料吸波體的吸波性能會(huì)受到電磁波入射角度的影響， 角度不敏感的吸波材料設(shè)計(jì)一直是吸波材料設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一. 本文基于等效介質(zhì)原理設(shè)計(jì)了一種寬入射角超材料吸波體. 超材料吸波體單元由豎直放置在理想導(dǎo)體(PEC)上的雙面開(kāi)口諧振環(huán)組成， 諧振環(huán)開(kāi)口處加載集總電阻R 和集總電容C， 其中電阻R 用于調(diào)控超材料的等效電磁參數(shù)， 電容C 用于調(diào)控超材料的諧振頻率和實(shí)現(xiàn)單元小型化. 當(dāng)TE 波(橫電波， 電場(chǎng)方向與入射面垂直的平面電磁波)照射時(shí)， 電阻R = 4000 Ω， C = 1.5 pF， 在1.59 GHz 處， 本文設(shè)計(jì)的寬角超材料吸波體實(shí)現(xiàn)了70°內(nèi)90%以上的吸波率， 當(dāng)入射角度達(dá)到75°， 也仍然有85%以上的吸波率， 并且基于等效介質(zhì)原理的理論分析結(jié)果和仿真結(jié)果及測(cè)量結(jié)果都基本符合； 當(dāng)TM 波(橫磁波， 磁場(chǎng)方向與入射面垂直的平面電磁波)照射時(shí)， 電阻R = 1200 Ω， C = 1.5 pF， 此時(shí)需將超材料單元旋轉(zhuǎn)90°， 在1.59 GHz 處， 本文設(shè)計(jì)的寬角超材料吸波體實(shí)現(xiàn)了70°內(nèi)90%以上的吸波率， 當(dāng)入射角度達(dá)到75°， 也仍然有85%以上的吸波率.測(cè)試結(jié)果基本與仿真結(jié)果符合. 此外， 當(dāng)電容C 發(fā)生改變而其余參數(shù)不改變時(shí)， 本文設(shè)計(jì)的超材料吸波體在新的諧振頻率處仍然具有同樣的寬角吸波性能， 具有寬頻帶的工作特性.

1 引 言

吸波材料指能夠在一定程度上吸收自由空間中電磁波的自然材料或者由電磁結(jié)構(gòu)構(gòu)建的超材料吸波體. 傳統(tǒng)的吸波材料是由自然界存在的鐵氧體、碳粉等吸收劑混合一些熱塑料、環(huán)氧樹(shù)脂等非金屬基體而成的一類(lèi)涂覆于目標(biāo)表面的吸波材料.其往往有著吸收頻帶窄、吸收角度小、質(zhì)量重、剖面高等缺點(diǎn). 自2008 年Landy 等[1]提出超材料吸波體的概念后， 超材料因其自身的強(qiáng)大可塑性， 歷經(jīng)10 多年的發(fā)展， 許多研究者在帶寬、剖面、極化敏感度等方面取得了很多的研究成果[2-13]. 與傳統(tǒng)吸波材料相比， 超材料吸波體在很多性能方面有著明顯的優(yōu)勢(shì). 目前大多數(shù)電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)主要關(guān)注點(diǎn)仍然在帶寬方面， 對(duì)吸波材料吸收來(lái)波的角度研究較少. 實(shí)際上， 自由空間中電磁波的入射角度和極化是難以預(yù)知的， 因此需要吸波材料具有很寬的吸收角度和極化不敏感度才能有效地吸收電磁波. 部分學(xué)者通過(guò)構(gòu)建角度不敏感的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬角吸波[14-25]. 盡管已找到一些合適的單元結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬角度吸波， 但是一直沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法. 文獻(xiàn)[26-28]通過(guò)理論推導(dǎo)帶有金屬地板的單層介質(zhì)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)， 并結(jié)合邊界條件，建立了TM 波照射下反射系數(shù)和等效電磁參數(shù)的關(guān)系， 其中文獻(xiàn)[26]采用雙面螺旋環(huán)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了理論的可行性. 文獻(xiàn)[29]在文獻(xiàn)[26]的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了TE 波照射時(shí)的理論推導(dǎo)并分析了實(shí)現(xiàn)寬角吸波效果所需的等效電磁參數(shù)[29]， 但并沒(méi)有給出實(shí)際案例. 在傳統(tǒng)的人工介質(zhì)研究中， 一般通過(guò)調(diào)整單元尺寸和相關(guān)材料參數(shù)來(lái)控制超材料的等效電磁參數(shù). 但該種方式不夠靈活， 能夠調(diào)節(jié)的自由度低， 在要求超材料小型化、低剖面等特殊場(chǎng)景下其能夠調(diào)節(jié)的自由度又會(huì)大大下降， 難以精確調(diào)控到所需的等效電磁參數(shù). 因此， 需引入更多的易于調(diào)節(jié)的自由度來(lái)精確控制等效電磁參數(shù)以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求. 在本文研究?jī)?nèi)容中， 通過(guò)引入集總電阻調(diào)控等效電磁參數(shù)并利用S 參數(shù)反演技術(shù)提取等效電磁參數(shù)[30]， 此外還引入電容， 一方面為了調(diào)控超材料的諧振頻率， 另一方面為了實(shí)現(xiàn)單元小型化， 最終完成寬角度吸波材料的設(shè)計(jì).

文獻(xiàn)[29]的寬角理論分析指出， 影響TE 波和TM 波照射時(shí)吸波材料的寬角吸波效果的關(guān)鍵因素分別由μr1x，h和μr1y，h決定， 其中μr1x指的是TE 波照射下提取的x方向等效磁導(dǎo)率，μr1y指的是TM 波照射下提取的y方向等效磁導(dǎo)率，h指的是等效介質(zhì)的厚度. 基于此， 本文設(shè)計(jì)了一種寬角度超材料吸波體. 超材料單元由豎直放置在PEC上的兩面均有開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的介質(zhì)組成， 在環(huán)開(kāi)口處加載集總電阻和集總電容控制超材料的等效磁導(dǎo)率和諧振頻率. 該結(jié)構(gòu)單元周期P為4.5 mm ×4.5 mm， 高度h為2.8 mm. 在諧振環(huán)開(kāi)口處加載4000 Ω 電阻和1.5 pF 的電容， 提取TE 波照射下未加載金屬反射板的等效磁導(dǎo)率， 在1.59 GHz 處，μr1x=3.19?j15.3， 此時(shí)厚度為0.0148λ， 單元周期為0.024λ× 0.024λ. 根據(jù)文獻(xiàn)[29]的理論公式，計(jì)算在該條件下的吸波效率與入射角度的關(guān)系曲線(xiàn)， 理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合. 在諧振環(huán)開(kāi)口處加載1200 Ω 電阻和1.5 pF 的電容， 提取TM 波照射下未加載金屬反射板的等效磁導(dǎo)率， 在1.59 GHz 處，μr1y=1.07?j5.14 ， 在該條件下， 同樣計(jì)算在該條件下的吸波效率與入射角度的關(guān)系曲線(xiàn)， 理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合. 仿真和測(cè)試結(jié)果顯示： TE 波照射時(shí)， 在1.58 GHz 附近實(shí)現(xiàn)70°內(nèi)90%以上的吸波率； TM 波照射時(shí)， 在1.6 GHz 處實(shí)現(xiàn)70°內(nèi)90%以上的吸波率. 由于加工的誤差， 實(shí)測(cè)結(jié)果相比仿真結(jié)果有細(xì)微的頻率偏移， 但基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.此外， 本文設(shè)計(jì)的超材料吸波結(jié)構(gòu)雖然需更換電阻R才能在TE 波和TM 波分別照射時(shí)使吸波材料都達(dá)到寬角吸波的目的， 但是并不需要重新調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的尺寸及介質(zhì)等相關(guān)參數(shù). 傳統(tǒng)的吸波材料隨著入射角度的增大， 其諧振頻率會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的頻率偏移現(xiàn)象， 但本文中設(shè)計(jì)的超材料吸波體諧振頻率隨著入射角度的變化非常微小， 幾乎可以忽略不計(jì)， 具有較好的頻率穩(wěn)定性. 此外， 當(dāng)加載的電容C發(fā)生變化而其他參數(shù)不變化時(shí)， 超材料吸波體在新的諧振頻率處仍然具有同樣的寬角吸波效果， 具有寬頻帶工作的特性.

2 寬角超材料吸波體設(shè)計(jì)

2.1 超材料吸波體仿真結(jié)果及理論結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的寬角超材料吸波體模型如圖1(a)所示， 由豎直放置在PEC 地板上的雙面開(kāi)口諧振環(huán)組成， 兩面諧振環(huán)具有180°的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性， 開(kāi)口處都加載有集總電阻R和集總電容C， 目的是為了有效調(diào)節(jié)超材料的諧振頻率以及等效磁導(dǎo)率.介質(zhì)板材采用KB-6150 FR4 型號(hào)的板材， 介電常數(shù)4.4， 損耗角正切0.02， 厚度t= 0.8 mm， 高度h= 2.8 mm， 諧振環(huán)開(kāi)口間距s= 0.8 mm， 環(huán)的寬度d= 0.4 mm， 環(huán)的長(zhǎng)度L= 4 mm， 環(huán)的外寬度W= 2.2 mm， 單元的周期P= 4.5 mm.

圖1 單元模型和理論模型 (a)寬角超材料吸波體單元模型； (b)理論分析模型Fig. 1. Unit cell and theoretical model： (a) Wide-angle metamaterial absorber unit cell； (b) theoretical model.

超材料吸波體的吸波率用A(ω) 表 示，A(ω) 由以下公式計(jì)算得到：

其中，Γ(ω) 表 示吸波材料的反射系數(shù)， T (ω) 表示吸波材料的透射系數(shù). 當(dāng)吸波材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)都很小時(shí)， 超材料吸波體就能夠獲得很高的吸波率. 在本文的超材料吸波體模型中， 超材料下方放置有PEC 地板， 使其透射系數(shù)為0， 此時(shí)影響其吸波率的因素只有反射系數(shù)一項(xiàng)， 只需盡可能地降低其反射系數(shù)就能獲得高的吸波率. 在文獻(xiàn)[29]中， 推導(dǎo)出了TE 波和TM 波分別照射時(shí)單層帶反射地板的吸波材料的反射系數(shù)表達(dá)式， 理論模型如圖1(b)所示， 反射系數(shù)由(2) 式計(jì)算.

根據(jù)(2)式，θ表示電磁波入射角度， TE 波和TM波照射時(shí)吸波材料的寬角吸波效果分別由μr1x，h和μr1y，h決定. 實(shí)際上當(dāng)吸波材料的厚度確定時(shí)，μr1x和μr1y成為制約寬角度吸波效果的最關(guān)鍵因素. 傳統(tǒng)超材料往往通過(guò)調(diào)整單元結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀來(lái)調(diào)控其等效電磁參數(shù)， 但此種方法對(duì)等效電磁參數(shù)的調(diào)控自由度較低， 對(duì)等效電磁參數(shù)的調(diào)控精確度也較低.

本文通過(guò)引入集總電阻來(lái)增加等效磁導(dǎo)率的調(diào)節(jié)自由度， 另外還引入集總電容來(lái)調(diào)節(jié)超材料的諧振頻率， 電阻和電容都加載在諧振環(huán)的開(kāi)口處，如圖1(a)所示. 圖2(a)給出了TE 波照射時(shí)超材料吸波體的諧振頻率隨電容C的變化， 此時(shí)開(kāi)口處加載的電阻R為4000 Ω， 當(dāng)TM 波照射時(shí)， 將超材料單元繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°， 此時(shí)開(kāi)口處加載的電阻R為1200 Ω， 圖2(b)給出了TM 波照射時(shí)超材料吸波體的諧振頻率隨電容C的變化. 從兩幅圖可以看出， 隨著電容值的升高， 超材料吸波體的諧振頻率隨之下降. 加載的電容可以有效地調(diào)節(jié)超材料的諧振頻率， 并不需要通過(guò)調(diào)整單元的結(jié)構(gòu)尺寸， 實(shí)現(xiàn)了小型化的目的.

從(2)式可以看出， 實(shí)現(xiàn)寬角吸波效果的關(guān)鍵是能夠精確調(diào)控超材料的等效磁導(dǎo)率， 使其反射系數(shù)在寬角度的范圍內(nèi)都能保持很小的數(shù)值. 因此，文中引入了集總電阻來(lái)增加等效磁導(dǎo)率的調(diào)控自由度. 本文采用CST 軟件進(jìn)行全波仿真， 利用S 參數(shù)反演計(jì)算等效磁導(dǎo)率. 根據(jù)理論模型， 本文反演計(jì)算的等效磁導(dǎo)率是等效介質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)， 并不包含地板， 因此在提取超材料的等效磁導(dǎo)率時(shí)，首先把PEC 去除， 仿真得到的S 參數(shù)再進(jìn)行參數(shù)反演. 圖3(a)和圖3(b)給出了TE 波垂直照射時(shí)，等效磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部隨電阻R的變化， 圖3(c)和圖3(d)給出了TM 波垂直照射時(shí)， 等效磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部隨電阻R的變化. 從圖3(c)和圖3(d)可以看出， 當(dāng)超材料的其他尺寸參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)， 電阻R能夠較為精確地控制實(shí)部和虛部的數(shù)值， 有利于后續(xù)寬角度吸波體的設(shè)計(jì). 為了反映實(shí)際超材料吸波體的吸波效果隨R的變化， 在超材料單元下方加載PEC， 仿真得到的吸波體反射系數(shù)如圖3(e)和圖3(f)所示

圖2 超材料吸波體的諧振頻率隨電容的變化 (a) TE 波照射； (b) TM 波照射Fig. 2. Resonant frequency of metamaterial absorber varies with capacitance： (a) TE wave； (b) TM wave.

圖3 超材料的等效磁導(dǎo)率虛部和實(shí)部以及超材料吸波體反射系數(shù)隨電阻R 的變化 (a) TE 波照射時(shí)磁導(dǎo)率實(shí)部； (b) TE 波照射時(shí)磁導(dǎo)率虛部； (c) TM 波照射時(shí)磁導(dǎo)率實(shí)部； (d) TM 波照射時(shí)虛部； (e) TE 波照射超材料吸波體反射系數(shù)隨電阻R 的變化；(f) TM 波照射超材料吸波體反射系數(shù)隨電阻R 的變化Fig. 3. The imaginary parts and real parts of the equivalent permeability of the metamaterial and the reflection coefficient of the absorber varies with the resistor： (a) Real parts of the equivalent permeability under TE wave； (b) imaginary parts of the equivalent permeability under TE wave； (c) real parts of the equivalent permeability under TM wave； (d) imaginary parts of the equivalent permeability under TM wave； (e) the reflection coefficient of the absorber varies with the resistor under TE wave； (f) the reflection coefficient of the absorber varies with the resistor under TM wave.

圖2 和圖3 可以說(shuō)明在諧振環(huán)開(kāi)口處加載電阻和電容可以分別調(diào)控超材料的等效磁導(dǎo)率和諧振頻率. 圖2 和圖3(e)及圖3(f)給出的均為垂直入射下得到的反射系數(shù)， 并沒(méi)有考慮斜入射時(shí)的反射系數(shù)， 但提取的等效磁導(dǎo)率代入(2)式中可以計(jì)算出反射系數(shù)與入射角度的關(guān)系. 為了獲得寬角度的吸波效果， 需要選擇能夠使反射系數(shù)在寬角度時(shí)仍然較低的電阻阻值. 當(dāng)TE 波入射時(shí)， 選擇電阻R為4000 Ω， 電容C為1.5 pF， 提取的等效磁導(dǎo)率如圖4(a)所示， 在諧振頻點(diǎn)1.59 GHz 處，μr1x=3.19?j15.3，h約為0.0148λ. 當(dāng)TM 波入射時(shí)， 選擇電阻R為1200 Ω， 電容C為1.5 pF， 此時(shí)需將單元繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°， 提取的等效磁導(dǎo)率如圖4(b)所示， 在諧振頻點(diǎn)1.59 GHz 處，μr1y=1.07?j5.14 . 將提取的等效磁導(dǎo)率μr1x和μr1y分別代入(2)式中， 理論上計(jì)算出超材料反射系數(shù)隨角度的變化. 圖5 展示了上述條件下， TE 波和TM 波分別照射時(shí)加載PEC 地板的兩種狀態(tài)下的超材料吸波體的反射系數(shù)， 仿真結(jié)果顯示： 入射角度在70°范圍內(nèi)， 在1.59 GHz 附近， 兩種狀態(tài)下的超材料吸波體在TE 波和TM 波分別照射時(shí)， 其吸收率都在90%以上； 當(dāng)入射角度達(dá)到75°時(shí)， 超材料吸波體的吸波率都在85%以上. 將1.59 GHz 處的理論吸波結(jié)果與設(shè)計(jì)的超材料吸波體仿真結(jié)果對(duì)比， 結(jié)果如圖6 所示. 當(dāng)TE 波入射時(shí)， 在50°入射角以?xún)?nèi)， 理論結(jié)果比仿真結(jié)果低2dB 左右， 隨著入射角度增大， 仿真的反射系數(shù)開(kāi)始低于理論反射系數(shù)，當(dāng)超過(guò)50°時(shí)， 仿真結(jié)果比理論結(jié)果低2dB 左右，雖然理論結(jié)果和仿真結(jié)果并沒(méi)有完全符合， 但大體上理論結(jié)果和仿真結(jié)果是符合的； 當(dāng)TM 波入射時(shí)， 在60°入射角范圍內(nèi)， 仿真的反射系數(shù)比理論結(jié)果低2dB 左右， 當(dāng)超過(guò)60°入射角， 則理論的反射系數(shù)比仿真的反射系數(shù)低1dB 左右， 仿真結(jié)果和理論結(jié)果也基本符合.

圖4 等效磁導(dǎo)率 (a) TE 波照射； (b) TM 波照射Fig. 4. The equivalent permeability (a) TE wave； (b) TM wave.

圖5 超材料吸波體反射系數(shù)隨角度的變化 (a) TE 波照射； (b) TM 波照射Fig. 5. The reflection coefficient of the absorber varies with incidence angle (a) TE wave； (b) TM wave.

圖6 理論計(jì)算結(jié)果與TE 波照射下R = 4000 Ω， C =1.5 pF 和TM 波照射下R = 1200 Ω， C = 1.5 pF 的仿真結(jié)果對(duì)比Fig. 6. Comparison of theoretical results and simulation results when R = 4000 Ω， C = 1.5 pF under TE wave and R =1200 Ω， C = 1.5 pF under TM wave.

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

超材料吸波體的測(cè)量方式通常都采用弓形法，測(cè)試系統(tǒng)如圖7 所示. 測(cè)試環(huán)境在微波暗室中進(jìn)行， 實(shí)物如圖8(a)所示， 集總電阻元件型號(hào)是0201 型號(hào)的貼片電阻， 集總電容采用的是0603 型號(hào)NPO 材質(zhì)的貼片電容， 板材金屬表面工藝采用的鍍錫， 電阻和電容貼片均采用的是SMT 貼片工藝， 樣品尺寸是352 mm × 342 mm， 共74 × 72 個(gè)單元. 實(shí)測(cè)場(chǎng)景如圖8(b)所示. 測(cè)試結(jié)果如圖9 所示， 當(dāng)TE 波照射時(shí)， 測(cè)試樣品加載的電阻是4000 Ω，電容是1.5 pF， 該超材料吸波體在1.58 GHz 附近實(shí)現(xiàn)了70°內(nèi)90%以上的吸收率； 而當(dāng)TM 波照射時(shí)， 測(cè)試樣品加載的電阻是1200 Ω， 電容同樣是1.5 pF， 該超材料吸波體在1.6 GHz 附近實(shí)現(xiàn)了70°內(nèi)90%以上的吸收率. 由于加工的誤差， 實(shí)測(cè)中心頻率相比仿真結(jié)果有略微的頻偏， 但基本實(shí)現(xiàn)了本文的設(shè)計(jì)要求. 該超材料吸波結(jié)構(gòu)具有寬角度的吸收特性.

圖7 測(cè)量系統(tǒng)Fig. 7. Measurement system.

圖8 實(shí)物和實(shí)測(cè)場(chǎng)景 (a)樣品； (b)測(cè)試場(chǎng)景Fig. 8. Sample and Measurement scene： (a) Sample； (b)measurement scene.

圖9 測(cè)量結(jié)果 (a) TE 波照射； (b) TM 波照射Fig. 9. Measurement results： (a) TE wave； (b) TM wave.

3 討論部分

角度不敏感超材料吸波體的設(shè)計(jì)往往面臨兩個(gè)難點(diǎn)： 一是隨著入射角度的增加， 中心頻率會(huì)往高頻處偏移， 這是因?yàn)樵谝话闱闆r下， 斜入射下的超材料單元的有效工作尺寸發(fā)生了改變； 二是隨著入射角度的增加， 吸波效果會(huì)迅速惡化， 這是隨著角度變化所引起的阻抗失配. 本文的超材料吸波體通過(guò)加載電容來(lái)控制其諧振頻率， 當(dāng)超材料不加載電容時(shí)， 本文中的結(jié)構(gòu)會(huì)諧振在較高頻段. 諧振頻率的主要影響因素從結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到集總電容， 可以減小因?yàn)樾比肷涑叽绲淖兓鶐?lái)的頻率偏移. 本文中電阻R的阻值并沒(méi)有選擇垂直入射時(shí)反射系數(shù)最小對(duì)應(yīng)的電阻而是選擇了中間值. 從阻抗匹配角度來(lái)看， 本文設(shè)計(jì)的寬角超材料吸波體其實(shí)是降低了小角度入射時(shí)的阻抗匹配度， 而使其在大角度入射時(shí)具有較高的阻抗匹配度. 因此， 能夠在寬角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效吸波， 但是低角度吸波率會(huì)犧牲一部分. 表1 給出了本文工作與前人工作的性能對(duì)比， 本文設(shè)計(jì)的超材料吸波體在單元尺寸、剖面高度和吸收角度上都展現(xiàn)了較好的性能.

本文中， 電容C用以調(diào)節(jié)超材料吸波體的諧振頻率. 從圖2 可以看出， 當(dāng)僅有電容C發(fā)生變化時(shí)， 其垂直入射時(shí)的反射系數(shù)值近乎保持不變. 在斜入射時(shí)如果也能保持同樣的特性， 那么該結(jié)構(gòu)具有寬頻帶的工作特性. 圖10 展示了C= 0.5 pF和C= 5 pF 時(shí)寬角吸波數(shù)據(jù)， 從圖中可以看出，不論C取何值， 超材料吸波體在新的諧振頻率處仍然具有與加載1.5 pF 電容時(shí)同樣的寬角吸波效果. 本文設(shè)計(jì)的超材料吸波結(jié)構(gòu)在僅改變電容C的情況下能夠在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬角吸波效果.

表1 文獻(xiàn)工作性能比較Table 1. Performance comparison among this work and other literatures.

圖10 不同容值下的寬角吸波效果 (a) TE 波照射； (b)TM 波照射Fig. 10. Performance of wide-angle absorber with different capacitance： (a) TE wave； (b) TM wave.

在實(shí)際應(yīng)用中如能實(shí)現(xiàn)電容的連續(xù)調(diào)控， 超材料吸波結(jié)構(gòu)便能夠在寬頻帶范圍內(nèi)工作， 更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值. 本文設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)在制備過(guò)程中是無(wú)法進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的， 單元結(jié)構(gòu)是單開(kāi)口諧振環(huán)， 開(kāi)口上下電壓始終是等壓的， 無(wú)法為可變電容或可變電阻提供進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的偏置電壓. 如果要對(duì)電容進(jìn)行連續(xù)調(diào)控， 則需為其提供可用的偏置電壓. 本文做了如下探索， 在開(kāi)口環(huán)的另一端相應(yīng)進(jìn)行了開(kāi)口設(shè)置， 并加載與左邊同樣的定值電阻和可變電容， 并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的直流偏置饋線(xiàn)， 如圖11所示， 修改后的超材料吸波體仿真結(jié)果如圖12 所示， 從仿真結(jié)果中可以看出， 盡管結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化， 但同樣展現(xiàn)了寬角度吸波特性. 實(shí)際制備過(guò)程中直流偏置線(xiàn)一端直接接在地板上， 另一端則需要單獨(dú)接到每個(gè)單元的另一條直流偏置饋線(xiàn)上， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元可變電容的調(diào)控. 但這樣做會(huì)增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和控制復(fù)雜度. 因?yàn)楸疚牡哪康氖球?yàn)證方法的效果， 所以只使用了最簡(jiǎn)單的固定電容進(jìn)行驗(yàn)證. 在應(yīng)用需要時(shí)， 可以通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào).

圖11 頻率可調(diào)超材料吸波結(jié)構(gòu)Fig. 11. Frequency-tunable metamaterial absorber.

圖12 頻率可調(diào)超材料吸波結(jié)構(gòu)不同電容值下的反射系數(shù) (a) TE 波； (b) TM 波Fig. 12. Reflection coefficient of frequency-tunable metamaterial absorber with different capacitance capacitors： (a) TE wave； (b) TM wave.

4 結(jié) 論

本文基于等效介質(zhì)原理， 設(shè)計(jì)了一種雙面開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的寬角度超材料吸波體， 引入集總電阻R調(diào)控等效磁導(dǎo)率， 引入集總電容C調(diào)控諧振頻率， 電容和電阻則均加載在開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口處. 仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果顯示當(dāng)TE 波照射時(shí)， 電阻R=4000 Ω，C= 1.5 pF， 在1.59 GHz 處實(shí)現(xiàn)了70°內(nèi)90%以上的吸波率以及75°內(nèi)85%以上的吸波率， 當(dāng)TM 波照射時(shí)電阻R= 1200 Ω，C= 1.5 pF，在1.59 GHz 處同樣實(shí)現(xiàn)了70°內(nèi)90%以上的吸波率以及75°內(nèi)85%以上的吸波率， 并且與基于等效介質(zhì)原理的理論分析結(jié)果基本符合. 盡管由于加工的誤差出現(xiàn)了細(xì)微的頻偏， 但測(cè)試結(jié)果基本與仿真結(jié)果符合， 樣品仍然具有寬角度的吸收特性. 本文設(shè)計(jì)的超材料吸波體還具有中心頻率穩(wěn)定性， 隨著入射角度的增加， 其中心工作頻率幾乎不發(fā)生偏移. 此外， 當(dāng)加載的電容C發(fā)生變化而結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)和電阻R不發(fā)生變化時(shí)， 超材料吸波體在新的吸收頻率處仍然有同樣的寬角度吸波效果， 具有寬頻帶的工作特性.