輕質(zhì)花形超材料寬帶吸波器

文慧鵬,呂曉龍,郭云勝

(內(nèi)蒙古科技大學 理學院,內(nèi)蒙古 包頭 014000)

超材料是一種依據(jù)電磁理論設計出來的特異性材料,通常由亞波長結(jié)構(gòu)單元按周期或有規(guī)律的非周期方式排列組合而成,可以有效地吸收特定頻段的電磁波[1-2]。2008 年Landy 等[3]首次提出利用開口諧振環(huán)和金屬條作為單元結(jié)構(gòu)的超材料對微波頻段的電磁波實現(xiàn)完美吸收,研究人員用等效電路對其吸收機理進行了詳細分析[4]。之后,Guo 等[5]設計了一種簡單拓撲結(jié)構(gòu)超材料,在金屬板上放置介質(zhì)顆粒即可實現(xiàn)對可見光的完美吸收。另外,由氧化銦錫電阻膜[6]、FR-4 與金屬諧振結(jié)構(gòu)[7]組成的超材料吸波器也實現(xiàn)了各自工作頻段的完美吸收。然而,上述超材料吸波器的吸收頻帶較窄。為拓寬吸收帶寬,面內(nèi)多諧振結(jié)構(gòu)[8-9]、多層復合結(jié)構(gòu)[10]以及全介質(zhì)共振結(jié)構(gòu)[11]等多種超材料吸波結(jié)構(gòu)應運而生。但是,受諧振吸收機理的制約,這些結(jié)構(gòu)的吸收帶寬依然有限。

與介電材料相比,磁性材料的折射率較大,并存在磁損耗和介電損耗兩方面的耗散特性。因此,基于磁性材料制作的吸波器在拓寬吸收帶寬等方面具有一定優(yōu)勢[12-13]。但是,這些吸波器在重量和厚度等方面存在不足[14-15]。本文提出一種由磁性復合材料吸波片制作的花形超材料吸波器,不僅可以拓展吸波片本身的帶寬,還能顯著降低吸波片的重量,可進一步拓寬吸波片在電磁隱身領域的應用。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和反射損耗

圖1(a)是綿陽西磁科技有限公司生產(chǎn)的磁性復合材料吸波片,電磁參數(shù)的測試結(jié)果如圖1(b)所示。吸波片在低頻段具有較大的磁導率虛部,高頻段具有較大的介電常數(shù)虛部,它們在各自的工作頻段都可吸收一定程度的入射電磁波。對于有金屬背板的磁性復合材料吸波片,其諧振吸收頻率符合如下關系[16]:

圖1 (a) 磁性復合材料吸波片;(b) 吸波片的電磁參數(shù);(c) 反射損耗隨吸波片厚度變化Fig.1 (a) Magnetic composite absorber;(b) Electromagnetic parameters of the absorber;(c) Reflected loss with absorber thickness

式中:t、f和c分別表示吸波片的厚度、諧振吸收頻率和光速;εr和μr分別表示吸波片的復介電常數(shù)和復磁導率。對于有金屬背板的吸波材料,反射損耗能夠反映其吸波性能。本文采用的磁性復合材料吸波片的反射損耗隨厚度變化的關系如圖1(c)所示,隨吸波片厚度的增加,反射損耗峰逐漸向低頻方向移動,峰值也逐漸減小。當吸波片的厚度t=3 mm 時,反射損耗峰最小,為-37.5 dB,吸收頻帶較窄(對應于反射損耗小于-10 dB);當厚度t=1.5 mm 時,吸收頻帶變寬,能在4.3～5.9 GHz 頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效吸收。然而,受厚度因素影響,吸波片的吸收帶寬有限。

鑒于超材料吸波單元能夠?qū)ξl段進行調(diào)控[17],利用COMSOL Multiphysics 軟件在磁性復合材料吸波片的基礎上設計了如圖2 所示的花形鏤空超材料吸波單元。吸波單元周期為a,吸波片厚度為d=3.18 mm,金屬銅板厚度為0.1 mm,花瓣鏤空部分的兩個橢圓的長半軸與短半軸分別為r1和r2。設置周期性邊界條件,電磁波沿z方向垂直入射到吸波單元表面。

圖2 花形超材料吸波器結(jié)構(gòu)單元。(a)正視圖;(b)立體圖Fig.2 Structure of flower-shaped metamaterial absorber unit cell.(a) Front view;(b) Three-dimensional diagram

分別對周期為10,11,12 和13 mm 的吸波單元進行優(yōu)化,固定橢圓短半軸r2=2 mm,對橢圓長半軸r1進行參數(shù)化掃描,結(jié)果如圖3 所示,吸波單元的反射損耗趨勢相似,均出現(xiàn)一個反射損耗峰,并且隨長半軸r1增加,峰值逐漸減小。當單元周期為10 mm,長半軸r1為6.3 mm,頻率為7.6 GHz 時,反射損耗最小,為-14.6 dB,且在6～ 18 GHz 頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)90%以上的吸收。同時,反射損耗峰隨長半軸r1的增加逐漸向高頻移動,但當結(jié)構(gòu)單元周期變大時,反射損耗峰向高頻移動的幅度逐漸減小。優(yōu)化后的吸波單元可分別在5.4～18,5.2～18,4.9～18 和4.6～18 GHz 頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)90%以上的吸收。當單元周期為13 mm 時吸收帶寬達到最大,為13.4 GHz。

圖3 超材料結(jié)構(gòu)單元周期隨r1變化的反射損耗。(a) 10 mm;(b) 11 mm;(c) 12 mm;(d) 13 mmFig.3 Reflection loss of metamaterial structural unit cell period with r1.(a)10 mm;(b)11 mm;(c)12 mm;(d) 13 mm

綜上所述,花形鏤空結(jié)構(gòu)可以使吸波片具有良好的寬帶吸收效果。當結(jié)構(gòu)單元a為13 mm,r1為8.3 mm,r2為2 mm 時,吸收帶寬能達到最大。與傳統(tǒng)的磁性復合材料吸波片相比,吸收帶寬的頻率范圍由4.3～5.9 GHz 變?yōu)?.6～18 GHz,吸收帶寬擴大11.8 GHz。因此,花形鏤空結(jié)構(gòu)可以顯著拓展吸波片的吸收帶寬,也在很大程度上減輕了吸波片的重量,更加利于實際應用。

2 寬帶吸收機理

吸波器的吸收率A是由反射率R和透射率T共同決定,即A=1-R-T。減小材料的反射率和透射率,可以提高吸收率。對于有金屬背板的吸波器,透射率T為0,A可以用反射損耗S11表示為:

當吸波器對電磁波的反射越小,其吸收能力就越強,反射率為0 時吸收率達到最大。

阻抗是影響吸波器反射大小的重要因素[15],利用反射損耗S11和等效阻抗Zeff的關系式,對反射損耗最小的吸波結(jié)構(gòu)單元(a=10 mm,r1=6.3 mm,r2=2 mm)進行阻抗反演[18]:

得到吸波單元的等效阻抗如圖4 所示,在6～18 GHz 的頻率范圍內(nèi),吸波器的等效阻抗實部和虛部分別在0.6～0.75 和-0.35～-0.2 范圍內(nèi)波動。在反射損耗峰值處的等效阻抗Zeff=0.73-0.18i,其實部接近1,虛部接近于0。所以,優(yōu)化花形鏤空結(jié)構(gòu)能使吸波單元的等效阻抗接近自由空間阻抗,減少了對電磁波的反射,增強了吸波器的吸收效果。

圖4 花形鏤空超材料吸波器的等效阻抗Fig.4 Equivalent impedance of the flower -shaped hollow metamaterial absorber

為進一步探究結(jié)構(gòu)單元的吸波機理,圖5 給出反射損耗最小的電阻損耗、磁損耗和總功率損耗分布云圖。由圖可知,吸波單元的總功率損耗主要集中在花形鏤空結(jié)構(gòu)的邊緣,呈明顯的對稱性;電阻損耗集中分布在花瓣葉尖上;磁損耗集中分布在花瓣葉尖以外的花瓣邊緣。總功率損耗分布與磁損耗分布相似,吸波單元的吸收主要取決于磁損耗。因此,花形鏤空結(jié)構(gòu)可以將電磁能量更好地耗散在花形鏤空邊緣,從而增強對入射場能量的吸收。

圖5 花形鏤空超材料吸波器的功率損耗。(a) 電阻損耗;(b) 磁損耗;(c) 總功率損耗Fig.5 Power loss distribution of flower -shaped hollow metamaterial absorber.(a) Resistance loss;(b) Magnetic loss;(c) Total power loss

3 實驗與分析

為驗證花形鏤空結(jié)構(gòu)的寬帶吸收效果,制作反射損耗最小的花形鏤空超材料吸波器,如圖6(a)。使用紫外納秒精密切割機對大小為20 mm×20 mm 的磁性復合吸波片進行雕刻,將雕刻好的吸波片附著在銅板上,采用自由空間法對制作好的超材料吸波器進行測試。測試系統(tǒng)和吸收率的實驗及仿真結(jié)果如圖6(b)所示。曲線d和e 分別為花形鏤空超材料吸波器吸收率的測試及仿真結(jié)果,f為磁性復合材料吸波片吸收率的測試結(jié)果。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn),吸波片的吸收帶寬只有1.6 GHz(吸收率超過80%),而花形鏤空超材料結(jié)構(gòu)能使吸波片在5.4～18 GHz 的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)吸收,吸收帶寬可達到12.6 GHz。與單獨的吸波片相比,花形鏤空超材料結(jié)構(gòu)拓寬了吸收帶寬,并使吸收帶寬內(nèi)的吸收效率提高了20%。然而,受加工精度影響,結(jié)構(gòu)單元的尺寸發(fā)生了微變,因此花形鏤空超材料吸波器的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果在高頻時的差異較大。另外,將花形鏤空超材料吸波器與表1 所示的其他已發(fā)表文獻提到的寬帶吸波器相比,花形鏤空超材料吸波器在較低頻段的吸收頻帶較寬,厚度比絕大多數(shù)超材料吸波器薄。另外,不同于傳統(tǒng)“三明治” 結(jié)構(gòu)或多層金字塔堆疊結(jié)構(gòu),花形鏤空結(jié)構(gòu)簡單易制作。所以,基于花形鏤空結(jié)構(gòu)制作的吸波器在電磁隱身領域內(nèi)的應用更具有優(yōu)勢。

表1 微波區(qū)寬帶超材料吸波器的性能對比Tab.1 Performance comparison of broadband metamaterial absorbers in the microwave region

圖6 (a) 樣品及測試系統(tǒng);(b) 花形超材料結(jié)構(gòu)的吸收率及吸波片的吸收率Fig.6 (a) Sample and test system;(b) Absorption rate of flower-shaped metamaterial structure and absorber

4 結(jié)論

本文設計了一種輕質(zhì)寬帶超材料吸波器,該吸波器能夠通過調(diào)節(jié)吸波單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化自身的等效阻抗,與自由空間阻抗實現(xiàn)匹配,減少吸波器對電磁波的反射,使入射場能量更好地耗散在吸波器中,從而實現(xiàn)寬帶吸收。仿真結(jié)果表明,當吸波單元的周期為10 mm,吸波片的厚度為3.18 mm,花形鏤空結(jié)構(gòu)的長短半軸分別為6.3 和2 mm 時,吸波器可在5.4～18 GHz 的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效吸收,帶寬達到12.6 GHz。通過實驗進一步驗證,吸收帶寬和效率與仿真結(jié)果基本吻合?；ㄐ午U空結(jié)構(gòu)簡單易制作,在拓寬吸收帶的同時,還可以減輕吸波器的重量,這可為寬帶超材料吸波器的研發(fā)提供新的思路,對未來電磁吸波領域裝備的研發(fā)具有借鑒作用。