基于環(huán)形諧振器集成非線性電路的脈沖波超表面吸收器設(shè)計(jì)

程用志 錢瑩潔 李志仁 本間晴貴FATHNAN Ashif Am inu lloh 若土弘樹

①(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430081)

②(名古屋工業(yè)大學(xué)工程系 名古屋 466-8555)

③(湖北隆中實(shí)驗(yàn)室 襄陽(yáng) 441000)

1 引言

最近十幾年發(fā)展起來(lái)的引人注目的超材料(Meta-Material,MM)和超表面(MetaSurface,MS)能夠突破傳統(tǒng)材料的限制[1–5]，實(shí)現(xiàn)超常的功能。MM的電磁響應(yīng)會(huì)隨著其亞波長(zhǎng)幾何形狀的調(diào)整而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生各種電磁特性[3,4]。MS是MM的準(zhǔn)2維平面形式，具有超薄的厚度，低剖面以及易于制備加工等優(yōu)點(diǎn)[5]。由于MS具有可設(shè)計(jì)性并且能夠用于制備各種新奇的電磁波調(diào)制器件[6–11]，例如，濾波器、波前調(diào)制器、極化轉(zhuǎn)換器以及吸波器等。在這些器件中，電磁波超表面吸收器(M etaSu r face Absorber,M SA)研究尤其引入注目，它能夠被廣泛地用于電磁能量捕獲、電磁隱身、傳感以及電磁屏蔽等領(lǐng)域[6,7]。MSA單元結(jié)構(gòu)模型一般由導(dǎo)電圖案(銅或鋁膜)、介質(zhì)層(電或磁介質(zhì)基片)和金屬底板構(gòu)成3層或多層結(jié)構(gòu)，呈周期性排列。通過(guò)單元結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)單頻、雙頻、多頻以及寬頻強(qiáng)吸收[10–13]。然而，當(dāng)前設(shè)計(jì)的絕大多數(shù)MSA對(duì)常規(guī)的電磁輻射具有良好的吸波性能，但仍然無(wú)法將可能會(huì)損害通信電子和電氣系統(tǒng)的高功率信號(hào)和通信需要的小信號(hào)區(qū)分開來(lái)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[14,15]提出了一種可以自動(dòng)調(diào)節(jié)高功率微波保護(hù)超寬帶能量選擇表面(Energy Selective Surface,ESS)，它可以自動(dòng)屏蔽高功率微波。文獻(xiàn)[16]基于雙共振概念，提出了ESS在相同的頻率下分別激發(fā)帶通和帶阻諧振。文獻(xiàn)[17,18]提出了一種在自由空間波下的可自動(dòng)調(diào)節(jié)的非線性MSA。它的輸入阻抗對(duì)入射電磁波強(qiáng)度的依賴性很強(qiáng)。當(dāng)入射波功率變得更強(qiáng)時(shí)，MSA和自由空間之間的阻抗匹配會(huì)越好，因此允許它們優(yōu)先進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部并消散掉。以往的功率選擇性MSA可以減輕電磁干擾，但不適用于無(wú)線通信信號(hào)的頻譜與其他信號(hào)的頻譜重疊的情況。文獻(xiàn)[19–21]提出了一種基于非線性電路MS，它能將入射的在相同頻率下的短脈沖波和連續(xù)波區(qū)分開來(lái)，并能夠進(jìn)行選擇性吸收高功率短脈沖波能量，同時(shí)還允許小信號(hào)傳播，這有利于電子設(shè)備不再受到強(qiáng)電磁脈沖噪聲的干擾，進(jìn)行有效的保護(hù)。即使在相同頻率下也可以根據(jù)波形或脈沖寬度區(qū)分不同的表面波。不久后又通過(guò)微波實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該MS能區(qū)分自由空間中連續(xù)波和脈沖波[20]。然而，這些研究中，都僅僅是使用了正入射的表面波或自由空間波進(jìn)行評(píng)估[21]，沒有考慮斜入射以及MS結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同波形吸收性能的影響。

為此，本文提出一種新型的基于二極管與電容電阻并聯(lián)的非線性電路MSA。二極管對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整流，整流后的信號(hào)由其他電路元件的時(shí)間常數(shù)τ=R×C控制。當(dāng)增加功率時(shí)，MSA對(duì)短脈沖波的吸收率先增大接近1再減小，但連續(xù)波的吸收率被極大地抑制。闡明了不同角度對(duì)脈沖波吸收率的影響。當(dāng)改變MSA單元尺寸參數(shù)時(shí)，例如導(dǎo)電金屬環(huán)間隙、線寬以及介質(zhì)板厚度，設(shè)計(jì)的MSA不僅對(duì)短脈沖波的吸收率會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)使工作頻率呈線性改變。它證實(shí)了設(shè)計(jì)的MSA對(duì)入射的波形具有很好的選擇吸收特性，在相同頻率下優(yōu)先通過(guò)或拒絕不同類型的信號(hào)，例如短脈沖或連續(xù)波。

2 MSA設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的MSA周期性陣列結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其基本結(jié)構(gòu)單元由金屬方環(huán)形諧振器、中間介質(zhì)層和底部金屬接地板3層結(jié)構(gòu)組合而成，如圖1(b)。頂層金屬方環(huán)形諧振器間隙中加載非線性電路。中間層是材料為Rogers RO4350的介質(zhì)基板，厚度ts,相對(duì)介電常數(shù)為3.66，磁導(dǎo)率為1。底部是電接地層，金屬底板的存在使得其透射率趨向于0。如圖1(a)所示，本文主要考慮兩種波形，分別為連續(xù)波(Continuous W ave,CW)和短脈沖波(Pulse W ave,PW)。

圖1 非線性電路MSA示意圖以及簡(jiǎn)化的LC電路圖

圖1(b)插圖給出了設(shè)計(jì)的MSA單元結(jié)構(gòu)縫隙中集成的二極管并聯(lián)電容電阻的非線性電路。設(shè)計(jì)的MSA結(jié)構(gòu)在一定頻率和功率的電磁波照射下，首先會(huì)在良導(dǎo)體的金屬方環(huán)形諧振器表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，誘導(dǎo)形成的感應(yīng)電荷對(duì)兩個(gè)環(huán)形縫隙電容進(jìn)行充電。聚集到方形環(huán)諧振器縫隙的電磁能量通過(guò)集成4個(gè)二極管與并聯(lián)的電阻電容非線性電路，最終耗散掉。這就意味著電荷被誘導(dǎo)到導(dǎo)電貼片上，盡管這些電荷有頻率分量f，在間隙中產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)。在2個(gè)方形環(huán)縫隙內(nèi)部，橋接的二極管(Broadcom,HSMS-286x系列)將輸入信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換為一組無(wú)限的頻率分量，但大多數(shù)能量是在零頻率分量[19]。此處用的4個(gè)二極管起到二極管橋的作用，提供全波整流，這會(huì)加快將入射電磁波轉(zhuǎn)換成靜電場(chǎng)，使零頻率的轉(zhuǎn)換進(jìn)一步增強(qiáng)。在每個(gè)二極管橋中，將1個(gè)電阻與1個(gè)電容并聯(lián)，這里為了避免二極管直接耗散電磁能量，電阻值必須設(shè)置得足夠大，這樣才能避免對(duì)連續(xù)波的強(qiáng)吸收[20]。設(shè)計(jì)的MSA在入射脈沖波的照射下并聯(lián)電容和電阻中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，當(dāng)短脈沖波在t1=50 ns時(shí)刻進(jìn)入設(shè)計(jì)的MSA電路結(jié)構(gòu)時(shí)，感應(yīng)電荷首先儲(chǔ)存在非線性電路電容器中形成非常強(qiáng)的感應(yīng)電壓，電壓隨著時(shí)間逐漸增大，而對(duì)應(yīng)的電流逐漸減??；在電路中誘導(dǎo)形成的電磁能量在下一個(gè)脈沖t2=100 ns時(shí)刻進(jìn)入之前在電阻中耗散，產(chǎn)生強(qiáng)吸收。但是，當(dāng)輸入波形變成長(zhǎng)脈沖或者連續(xù)波時(shí)，由于使用的電容器已經(jīng)充滿電，使整個(gè)MSA結(jié)構(gòu)處于短路狀態(tài)，從而使其對(duì)脈沖波的吸收顯著降低。這種基于電容器的波形選擇性MSA即使是在相同的頻率下也會(huì)降低其吸收性能。連續(xù)波和脈沖波吸收率都可由式(1)—式(3)計(jì)算獲得

圖2 設(shè)計(jì)的MSA中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流隨響應(yīng)時(shí)間的變化

其中，Pi是指入射波功率，它等于入射電壓和入射電流的乘積，同樣Pr是反射波功率，等于反射電壓和反射電流相乘。

為了研究設(shè)計(jì)的非線性電路M SA頻率響應(yīng)特性，其單元結(jié)構(gòu)可等效為一個(gè)簡(jiǎn)化的LC并聯(lián)諧振電路。如圖1(d)所示，其中L0是方環(huán)形金屬貼片的等效電感，C0為貼片單元之間的耦合電容，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為f0，因此可得到式(4)—式(6)

其中，ε0是介電常數(shù)，μ0是磁導(dǎo)率。由此可知，f0與g,w成正比，與ts成反比，即。由式(6)可以看出：通過(guò)改變單元結(jié)構(gòu)的等效電感或等效電容，且變化足夠大時(shí)，可以有效調(diào)節(jié)MSA的工作頻率。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的MSA波形選擇吸收性能，本文采用商業(yè)仿真軟件(ANSYS Electronics Desktop 2020 R2)將其單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁和電路協(xié)同數(shù)值模擬仿真。如圖1(a)所示，電磁仿真模塊中入射電磁波電場(chǎng)E沿著+x方向，磁場(chǎng)H沿著+y方向，波矢k沿著+z方向，采用主從邊界條件，再在金屬方環(huán)形諧振器縫隙從左至右設(shè)置1個(gè)替代所有電路元件的集總端口作為激勵(lì)，該端口連接到電路仿真模塊的實(shí)際電路中。同時(shí)還在單元結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置1個(gè)Floquet端口以生成入射波。用于電路仿真的整個(gè)電路配置如圖1(c)所示，2個(gè)端口分別在電磁模塊兩側(cè)(電磁仿真模塊設(shè)置的集總端口和Floquet端口)。集總端口用來(lái)連接所有電路元件，F(xiàn)loquet端口連接入射和反射端口用來(lái)產(chǎn)生連續(xù)波和短脈沖波。電路仿真在時(shí)域下進(jìn)行，在1～5 GHz頻率范圍內(nèi)每隔0.1 GHz步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，采用脈沖寬度50 ns的短脈沖作為脈沖電磁波，連續(xù)波波源采用正弦電磁波。整流二極管在實(shí)際電路模擬仿真時(shí)采用集成電路仿真程序(Simulation Program w ith Integrated Circuit Em phasis,SPICE)模型，具體參數(shù)參考文獻(xiàn)[20]。數(shù)值仿真優(yōu)化后得到的MSA單元結(jié)構(gòu)和集總參數(shù)為：p=18 mm,l=17 mm,g=1 mm,ts=1.5 mm,w=5 mm,tm=0.017 mm；并聯(lián)的電阻電容值分別為12.5 kΩ和0.8 nF，金屬微結(jié)構(gòu)單元銅膜的電導(dǎo)率為5.8×107S/m。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同功率和波形對(duì)MSA吸收率的影響

本文首先考慮設(shè)計(jì)的MSA對(duì)入射不同功率的連續(xù)波和脈沖波吸收特性的影響，如圖3所示。由圖3(a)可知，當(dāng)50 ns短脈沖波入射到設(shè)計(jì)的MSA時(shí)，吸收率隨著入射功率的增大先增大然后逐漸減小。由圖3(b)可知，當(dāng)脈沖波功率為–10 dBm時(shí)，吸收率為62%。這是由于此時(shí)入射短脈沖波功率比較低，很難在MSA激發(fā)起強(qiáng)的表面電流，誘導(dǎo)形成的感應(yīng)電壓小于二極管的門檻電壓，使其失去整流作用，從而使其吸收性能減弱。當(dāng)功率增加到–4 dBm，設(shè)計(jì)的MSA吸收率在3.2 GHz達(dá)到最大值97%。此時(shí)在MSA中誘導(dǎo)形成的感應(yīng)電壓達(dá)到二極管的門檻電壓，使其起到很好的整流作用，從而使其吸收性能得到顯著的增強(qiáng)。當(dāng)功率進(jìn)一步增加到10 dBm，吸收率下降到55%左右。此時(shí)在MSA中誘導(dǎo)形成的感應(yīng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)二極管的門檻電壓，使其失去整流作用，從而使其非線性電路產(chǎn)生短路，最終導(dǎo)致吸收性能減弱。值得注意的是，入射短脈沖波功率在本文感興趣的–10～+10 dBm范圍內(nèi)變化時(shí)，設(shè)計(jì)的MSA吸收率總是大于55%。由圖3(c)和圖3(d)可知，當(dāng)連續(xù)波入射到設(shè)計(jì)的M SA時(shí)，吸收率隨著入射功率的變化并不明顯，基本維持在一個(gè)較低的吸收率水平，只存在21%左右的低吸收率。可以看出，設(shè)計(jì)的MSA有效地減少了短脈沖的反射并在3.2 GHz附近表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收，但是在相同的頻率下連續(xù)波的吸收性能受到極大的限制。這是因?yàn)槎O管橋內(nèi)并聯(lián)的電容器存儲(chǔ)了短脈沖的傳入能量，并且在下一個(gè)脈沖進(jìn)入之前在并聯(lián)的電阻器中耗散。然而連續(xù)波已經(jīng)對(duì)電容器充滿電，阻止了這種吸收機(jī)制[20]。由此也進(jìn)一步說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的MSA具有良好的短脈沖波吸收性能，并能顯著區(qū)分相同頻率下的脈沖波和連續(xù)波。

圖3 設(shè)計(jì)的MSA在不同功率脈沖波(PW)和連續(xù)波(CW)波形入射時(shí)的吸收率曲線

3.2 不同脈沖寬度的脈沖波對(duì)MSA吸收率的影響

首先考慮不同脈沖寬度的脈沖波形對(duì)設(shè)計(jì)的非線性電路MSA吸收特性的影響。固定入射脈沖波的功率為0 dBm，如圖4(a)所示，設(shè)計(jì)的MSA對(duì)入射脈沖波的吸收率顯著依賴于脈沖寬度，當(dāng)逐漸增加脈沖寬度時(shí)，吸收率先增大，后減小。如圖4(b)所示，當(dāng)入射波脈沖寬度為1 ns時(shí)，其吸收率超過(guò)85%。當(dāng)增大入射波脈沖寬度為500 ns時(shí)，其吸收率達(dá)到最大值98.5%，當(dāng)脈沖寬度進(jìn)一步增大到10μs時(shí)，其吸收率逐漸降低，在3.2 GHz只有40%左右。由于MSA電阻電容并聯(lián)的非線性電路的弛豫時(shí)間為τ=R×C=10μs。當(dāng)入射波脈沖寬度增大到一定數(shù)值(10μs)時(shí)，非線性電路中并聯(lián)的電容器處于過(guò)飽和狀態(tài)，此時(shí)的感應(yīng)電壓達(dá)到最大從而導(dǎo)致吸波性能的減弱。由此進(jìn)一步說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的非線性電路MSA只對(duì)入射的短脈沖波具有良好的吸波性能。

圖4 設(shè)計(jì)的MSA在0 dBm功率下對(duì)不同脈沖寬度的脈沖波吸收率

3.3 不同極化模式斜入射脈沖波對(duì)M SA吸收率的影響

為了進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)的MSA對(duì)脈沖波的吸收特性，有必要考慮入射的短脈沖波在不同的極化模式斜入射的吸收性能。一般情況下，對(duì)斜入射的電磁波考慮TE和TM兩種模式。

圖5(a)—圖5(d)分別給出了兩個(gè)不同功率水平下TE模極化波 和TM模極化波不同斜入射角的吸收率。圖5(a)和圖5(c)是功率為0 dBm和–4 dBm脈沖寬度為50 ns的TE模極化短脈沖波不同斜入射角度時(shí)吸收率曲線。當(dāng)斜入射角度θ＜60°，M SA的吸收率基本保持不變。當(dāng)入射角度增大到θ=75°時(shí)，吸收率幅值有微弱的降低，并且工作頻率出現(xiàn)了微小的藍(lán)移現(xiàn)象，即吸收峰位置向高頻方向發(fā)生微小的偏移。當(dāng)入射角很大時(shí)(θ=75°)出現(xiàn)微小藍(lán)移現(xiàn)象，這是由于TE模極化波的行為類似于TE表面波。這說(shuō)明不同于傳統(tǒng)的線性電路MSAs[10–14]，設(shè)計(jì)的MSA吸波性能對(duì)TE模極化波斜入射角度的依賴性較小。而TM模極化波斜入射情況下，如圖5(b)和圖5(d)，設(shè)計(jì)的MSA對(duì)不同角度斜入射的脈沖波的吸收率的變化規(guī)律比較明顯。當(dāng)增大TM模極化波入射角度時(shí)，工作頻點(diǎn)基本保持不變，吸收率逐漸降低。吸收率在TM模式大入射角度時(shí)下降較快，是因?yàn)門M模極化波沒有強(qiáng)的切向電場(chǎng)分量，使設(shè)計(jì)的M SA方環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓比較小，從而削弱二極管的整流過(guò)程，導(dǎo)致該MSA對(duì)短脈沖波的吸收性能減弱。當(dāng)功率為0 dBm時(shí)，TE極化模式下大入射角度對(duì)短脈沖波吸收率也有所下降。但功率降低至–4 dBm時(shí)，由于大入射角度下，TE模極化波的行為類似于TE表面波，此時(shí)的吸收率不大幅度下降是介質(zhì)和二極管中的損耗造成的，并非是二極管整流作用下產(chǎn)生的對(duì)短脈沖波的強(qiáng)烈吸收。無(wú)論在哪個(gè)功率水平下，隨著入射角增大，TM模極化短脈沖波的峰值吸收水平在一定程度上被抑制，這種情況也接近于TM表面波。但值得注意的是在一定的寬入射角度(θ ＜75°)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的MSA吸收率總是保持在60%以上。進(jìn)一步說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的M SA對(duì)寬角度(θ ＜75°)入射的TE和TM模極化短脈沖波都具有良好的吸收特性。

圖5 設(shè)計(jì)的MSA單元在TE和TM模極化斜入射輸入功率為0 dBm和–4 dBm脈沖波的吸收率

3.4 M SA非線性電路并聯(lián)電容和單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)短脈沖波吸收特性的影響

接下來(lái)，本文將重點(diǎn)考慮設(shè)計(jì)的MSA結(jié)構(gòu)單元參數(shù)對(duì)短脈沖波吸收特性的影響。時(shí)間常數(shù)τ=R×C也稱為非線性電路的弛豫時(shí)間對(duì)于確定依賴于波形的MSA如何響應(yīng)入射波的脈沖寬度也很重要。

圖6(a)和圖6(b)給出了改變MSA結(jié)構(gòu)單元中并聯(lián)的電容值時(shí)其對(duì)功率為0 dBm脈沖寬度為50 ns的短脈沖波的吸收率曲線。當(dāng)增大MSA中并聯(lián)電容值時(shí)，其短脈沖波吸收率先顯著增大，然后適當(dāng)減小并維持在一個(gè)較高的吸收率水平。由圖6(b)所示，當(dāng)MSA中并聯(lián)的電容值為1 pF時(shí)，其吸收率只有30%左右。這是由于此時(shí)MSA中非線性電路的弛豫時(shí)間τ=12.5 ns小于入射波脈沖寬度50 ns，只能吸收一小部分的脈沖波。當(dāng)電容值為100 pF時(shí)，弛豫時(shí)間τ=1.25μs遠(yuǎn)大于入射短脈沖寬度50 ns,MSA吸收率達(dá)到最大值97.5%。進(jìn)一步增大電容值，MSA的吸收率有所下降，當(dāng)電容值為0.1 nF，其吸收率基本穩(wěn)定在90%左右保持不變。值得注意的是，改變MSA非線性電路中電阻值時(shí)對(duì)短脈沖波吸收率結(jié)果基本沒什么影響，但會(huì)影響連續(xù)波的吸收[20]。

圖6 非線性電路MSA對(duì)不同電容值情況下的脈沖波吸收率

傳統(tǒng)的線性電路MSA的吸收率嚴(yán)重依賴于其單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)[10–13]，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)尺寸可以顯著改變其頻率響應(yīng)特性和吸波性能。因此，有必要研究設(shè)計(jì)的非線性電路MSA中單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)脈沖波吸收性能的影響。如圖1(b)所示，對(duì)于固定設(shè)計(jì)周期的MSA單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)只包含3個(gè)重要變量，分別為方形環(huán)諧振器的寬度w，兩個(gè)環(huán)之間的縫隙g以及中間介質(zhì)層的厚度ts。研究發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化都會(huì)影響吸收率的大小。設(shè)計(jì)的MSA在不同的幾何參數(shù)情況下對(duì)入射短脈沖波(50 ns脈寬和0 dBm功率)吸收率曲線如圖7所示。本文根據(jù)數(shù)值仿真得到的吸收率峰值頻率隨MSA單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化關(guān)系曲線利用式(4)—式(6)中等效的電感和電容隨MSA單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化進(jìn)行線性擬合。從圖7(b)、圖7(d)和圖7(f)可以看到數(shù)值仿真曲線與等效電路擬合曲線吻合得比較好。

如圖7(a)所示，當(dāng)方環(huán)形諧振器縫隙寬度g在0.5～2.5 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，MSA吸收率峰值隨著g的增加緩慢的提高，但是工作頻率從2.95 GHz逐步平移到3.8 GHz。值得注意的是，當(dāng)g在一定范圍(0.5～2.5 mm)內(nèi)變化時(shí)，MSA脈沖波吸收率始終保持在95%以上。由圖7(b)所示，縫隙寬度g與吸收率峰值頻率f0呈線性關(guān)系且成正比，即f0∝g，這跟之前分析的簡(jiǎn)化LC理論模型完全一致。如圖7(c)所示，在一定范圍內(nèi)(2～6 mm)改變w大小時(shí)，設(shè)計(jì)的M SA對(duì)脈沖波的吸收率差別比較明顯。當(dāng)w=2 mm時(shí)，脈沖波吸收率只有65%，而設(shè)計(jì)的非線性電路MSA中單元結(jié)構(gòu)所用到的w=5 mm時(shí)，吸收率增加到90%以上。繼續(xù)增加線寬到w=6 mm,MSA脈沖波吸收率達(dá)到98.9%。同樣，圖7(d)可以看到，MSA吸收峰值頻率f0隨著線寬增加而往高頻移動(dòng)，且與w呈線性關(guān)系，即f0∝w。圖7(e)顯示的是ts對(duì)MSA脈沖波吸收率的影響，結(jié)果與前兩個(gè)參數(shù)類似，即短脈沖吸收率隨著ts增大而逐漸增大，但吸收峰值頻率的變化與之相反。由圖7(f)所示，MSA中ts與吸收率峰值頻率f0呈線性關(guān)系且成反比，即f0∝1/ts。同樣值得注意的是，當(dāng)ts在一定范圍(0.5～2.5 mm)內(nèi)變化時(shí)，MSA吸收率始終保持在85%以上。從以上的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸波性能隨g變化較為穩(wěn)定，但方環(huán)形結(jié)構(gòu)w和ts的變化對(duì)脈沖波吸收性能影響較大。如圖7(c)所示，當(dāng)方環(huán)形諧振器w減小時(shí)，脈沖波吸收率逐漸下降，這是由于此時(shí)所能累積的電荷較小，在其表面形成的電壓減小，從而使二極管整流作用減弱，最終導(dǎo)致脈沖波吸收性能的減弱。由圖7(e)所示，MSA吸收率隨著ts減小而緩慢地減小。這是因?yàn)楫?dāng)電磁波垂直入射到設(shè)計(jì)的M SA結(jié)構(gòu)單元中，由于被底部金屬接地板反射，在介質(zhì)基板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相位延遲，ts的大小會(huì)影響反射脈沖波的相位延遲效應(yīng)，從而影響脈沖波的吸收性能。當(dāng)介質(zhì)基板ts較小時(shí)，其相位延遲降低，從而使設(shè)計(jì)的MSA對(duì)脈沖波的吸收性能較小。由此表明，本文設(shè)計(jì)的MSA對(duì)短脈沖電磁波的吸收特性同樣顯著依賴于單元結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的非線性電路MSA，對(duì)入射的一定功率范圍內(nèi)的短脈沖波具有良好的波形選擇性寬角度吸收性能。當(dāng)功率增加時(shí)，設(shè)計(jì)的MSA對(duì)短脈沖波的吸收率先逐漸增大接近1，隨后再下降。而在相同頻率下，連續(xù)波的吸收性能受到顯著的抑制，吸收率只有20%左右。當(dāng)入射波的脈沖寬度增加時(shí)，MSA吸收性能降低。設(shè)計(jì)的MSA一定的角度范圍內(nèi)對(duì)TE和TM模極化短脈沖波有很好的吸收。增加M SA中并聯(lián)的電容大小會(huì)提升其對(duì)短脈沖波的吸收性能，但是改變并聯(lián)電阻值對(duì)脈沖波的吸收率無(wú)影響。結(jié)果顯示，MSA工作頻率會(huì)隨著間隙、線寬的增加而產(chǎn)生顯著的藍(lán)移，會(huì)隨介質(zhì)厚度的增加產(chǎn)生顯著的紅移，并且與等效LC諧振電路擬合的結(jié)果完全一致。另外，諧振吸收率幅值也會(huì)隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而產(chǎn)生顯著的變化。本文設(shè)計(jì)的MSA具有良好波形選擇吸收特性，能夠很好地區(qū)分相同頻率下的不同波形，這些波形選擇性使本文能夠根據(jù)脈沖寬度在相同頻率下控制電磁特性。本文的研究將在雷達(dá)罩、天線以及無(wú)線通信等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。