基于等離子體超材料局部場(chǎng)調(diào)控特性的低頻吸波材料設(shè)計(jì)方法

王振旭 , 王甲富 , 熊鑫蒙 , 富新民 ,丁 暢 , 韓亞娟 , 孫 杉

(1. 空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部,西安 710051;2.蘇州實(shí)驗(yàn)室,西安,710051;3.93160部隊(duì),北京 100072)

對(duì)于雷達(dá)隱身技術(shù)而言,雷達(dá)吸波技術(shù)的研究是近年來最熱門的話題之一。作為一種重要而且高效的電磁隱身方法,雷達(dá)吸收材料不僅在軍事領(lǐng)域,如電磁干擾屏蔽和降低雷達(dá)反射截面方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3],而且在民用領(lǐng)域,如太陽(yáng)能采集、生物傳感、熱光伏和光電探測(cè)等方面也得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。傳統(tǒng)的雷達(dá)吸收材料,特別是磁性吸波材料(magnetic absorbers,MAs),一般由磁性金屬或鐵氧體納米顆粒分散在聚合物基體中,以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的高效吸收,但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足如今對(duì)低頻段以及大角度吸收等指標(biāo)的要求。

超材料是由結(jié)構(gòu)單元周期/非周期陣列而成的人工結(jié)構(gòu)功能材料,通過人為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元,可以實(shí)現(xiàn)一些天然材料不可能或很難實(shí)現(xiàn)的奇特物理現(xiàn)象和效果,包括負(fù)折射率[9]、電磁波隱身[10]、逆多普勒效應(yīng)[11]等。經(jīng)過二十多年的發(fā)展,超材料已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,如超級(jí)透鏡、隱形斗篷、完美吸收器等[12-14]。對(duì)于雷達(dá)吸波材料領(lǐng)域,由于超材料的高效吸波和靈活設(shè)計(jì),吸波超材料一直都是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一,在雷達(dá)隱身技術(shù)、圖像傳感、能量采集、熱發(fā)射控制等許多舉足輕重的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[15-17]。2008年,Landy等[14]設(shè)計(jì)了一種超材料“完美吸波體”,通過在背有銅條的電介質(zhì)襯底頂部使用開口諧振環(huán),實(shí)現(xiàn)了特定頻率下99%的超高吸收率。自此,吸波超材料開始得到廣泛關(guān)注與研究。研究人員設(shè)計(jì)了多種具有“金屬-介質(zhì)基板-金屬”構(gòu)型的吸波超材料,可以實(shí)現(xiàn)窄帶、雙帶和多頻帶吸波性能。該設(shè)計(jì)通過改變結(jié)構(gòu)單元的幾何參數(shù)即可靈活調(diào)節(jié)吸收頻率以及吸收效率。然而,這種吸波超材料的帶寬太窄,制約了其在雷達(dá)吸波領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)寬帶高性能吸波,研究者們想出了很多方法,并進(jìn)行了大量的研究,包括集成多個(gè)諧振[18],引入三維結(jié)構(gòu)[19]和利用人工表面等離激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)的色散調(diào)控[20-21]。然而,制約吸波超材料應(yīng)用的2個(gè)關(guān)鍵問題仍亟待解決。一是大入射角下,吸收性能惡化;二是低頻吸收與低剖面、低重量之間存在矛盾制約。為了解決上述問題,學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究工作。文獻(xiàn)[22]提出了一種帶有折疊電阻片的三維結(jié)構(gòu)吸波超材料,在3.6～11.4 GHz的頻段內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)在75°大入射角吸收。文獻(xiàn)[23]提出了一個(gè)由非平面超材料和磁性微波吸收材料組成的2層吸波超材料,在2～18 GHz范圍內(nèi)表現(xiàn)出90%的吸收率。如何將兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合,設(shè)計(jì)不僅具有寬入射角吸收性能,而且在低頻段性能優(yōu)異的吸波超材料,同樣具有重要的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。

本文提出了一種基于等離子體超材料調(diào)控傳統(tǒng)磁性吸波材料內(nèi)部磁場(chǎng)的方法,利用金屬短線調(diào)控磁場(chǎng)分布的特性,通過增強(qiáng)其與底層金屬底板之間整個(gè)局部空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度,在其中加入傳統(tǒng)磁性吸波材料后,就能有效提升傳統(tǒng)磁性吸波材料的吸波性能,進(jìn)而使整體結(jié)構(gòu)在其工作頻段都具有較強(qiáng)的吸波性能。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:垂直入射時(shí),所設(shè)計(jì)的吸波超材料可在0.9～2.2 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效吸收,入射角逐漸增大到60°時(shí),90%的吸收帶寬仍可以達(dá)到0.73～3.12 GHz。該設(shè)計(jì)方法在雷達(dá)隱身、電磁兼容和通信等領(lǐng)域都具有較大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 原理分析

圖1為該等離子體吸波超材料的工作原理示意圖。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,當(dāng)電磁波入射到吸波超材料時(shí),在上層金屬線陣列的作用下,入射磁場(chǎng)將圍繞金屬短線形成環(huán)形磁場(chǎng)。由于下層金屬背板的存在和磁場(chǎng)的無源閉合特性,磁場(chǎng)將被局域在金屬線陣列層和金屬背板之間,因此,該處的磁場(chǎng)強(qiáng)度將得到顯著增強(qiáng)。在此空隙處引入磁性吸波材料,結(jié)合磁性吸波材料的高磁損耗,就會(huì)實(shí)現(xiàn)高效的電磁吸波性能。適當(dāng)調(diào)節(jié)金屬線陣列層的幾何參數(shù),就能在低頻段實(shí)現(xiàn)寬帶,寬角域的吸收效果。

圖1 原理示意圖

2 等離子體吸波超材料的設(shè)計(jì)方法

2.1 傳統(tǒng)磁性吸波材料的性能分析

圖2(a)為厚度3.0 mm的磁性吸波材料在TM極化波入射下,入射角為60°時(shí)的反射率曲線。圖2(b)為在TM極化波入射下,其入射角度從0°增加到85°時(shí),該磁性吸波材料的反射率變化情況。在仿真時(shí),x軸和y軸方向設(shè)置為unit cell,用來模擬仿真無限大尺寸的磁性吸波材料,同時(shí),在z軸方向設(shè)置為open add space。根據(jù)阻抗匹配原理,該磁性吸波材料的反射能量R(ω)和透射能量T(ω)可以由仿真所得的S參數(shù)得出:即R(ω)=|S11|2,T(ω)=|S21|2,從而可以得到吸收能量的表達(dá)式為A(ω)=1-R(ω)-T(ω)=1-|S11|2-|S21|2。因?yàn)榈讓咏饘俦嘲宓拇嬖?透射能量T(ω)將在整個(gè)頻段范圍內(nèi)等于0,因此吸收能量的表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為A(ω)=1-R(ω) =1-|S11|2,本文通過仿真得到的S11曲線分析該材料的吸波性能。由圖2(b)可知,只有在特定的角度范圍(62°～73°)和很窄的頻帶范圍(1.1～1.9 GHz)內(nèi),該磁性吸波材料的反射率才能達(dá)到-9 dB。由此可以看出,單一的磁性吸波材料很難滿足在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)吸收帶寬、工作角域以及吸收效率的要求。

(a)入射角為60°時(shí)的反射率曲線

(b)反射率隨入射角度的變化

2.2 等離子體吸波超材料結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)

根據(jù)第2.1節(jié)對(duì)磁性吸波材料的吸收性能的分析可以發(fā)現(xiàn),在實(shí)際應(yīng)用中,僅磁性吸波材料本身是很難滿足吸收帶寬、工作角域以及吸收效率的要求的。因此,本文利用超材料的設(shè)計(jì)理念,設(shè)計(jì)相應(yīng)的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu),并結(jié)合磁性吸波材料自身固有性能,以提高整體結(jié)構(gòu)的吸收效率、拓展整體結(jié)構(gòu)的吸收帶寬以及工作角域。

圖3為設(shè)計(jì)的等離子體吸波超材料的單元結(jié)構(gòu)示意圖,可以看出,整體結(jié)構(gòu)分為4層,其中,最上層為刻蝕在FR-4介質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)4.3,損耗角正切0.025)上的金屬線結(jié)構(gòu),最下層為金屬背板,中間是空氣間隙和磁性吸波材料層。優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:Px=32 mm,Py=2.5 mm,d1=3 mm,d2=6 mm,l=30.8 mm,w=0.4 mm。

(a)俯視圖

(b)正視圖

(c)側(cè)視圖

接下來使用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 2018對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。圖4(a)和圖4(b)分別為TM極化波入射下,垂直入射和入射角為60°時(shí),磁性吸波材料與設(shè)計(jì)的吸波超材料的反射率曲線對(duì)比,其中藍(lán)色虛線為磁性吸波材料的反射率曲線,紅色實(shí)線為設(shè)計(jì)的吸波超材料的反射率曲線。通過對(duì)比可以看出,磁性吸波材料加載金屬線結(jié)構(gòu)之后,整體結(jié)構(gòu)的吸收性能得到了很大程度的提升:當(dāng)垂直入射時(shí),反射率大于-10 dB的帶寬拓展至0.9～2.2 GHz;當(dāng)入射角度為60°時(shí),吸收率超過90%的帶寬拓展至0.73～3.12 GHz,此時(shí)在1.9 GHz時(shí),甚至達(dá)到了-38.3 dB。

(a)垂直入射

(b)入射角度為 60°

圖5為設(shè)計(jì)的等離子體吸波超材料的反射率隨入射角度增加而變化的仿真結(jié)果。相較于圖2(b)的傳統(tǒng)磁性吸波超材料的變化,等離子體吸波超材料的吸波效率明顯增強(qiáng),工作角域也得到大大拓展。

圖5 設(shè)計(jì)的等離子體吸波超材料反射率隨角度增加而變化的仿真結(jié)果

此外,針對(duì)TE極化下的吸波性能做簡(jiǎn)要分析。圖6(a)和圖6(b)分別是TE極化波入射下,垂直入射和入射角為60°時(shí),磁性吸波材料與設(shè)計(jì)的吸波超材料的反射率曲線對(duì)比,其中藍(lán)色虛線為磁性吸波材料的反射率曲線,紅色實(shí)線為設(shè)計(jì)的吸波超材料的反射率曲線?？梢钥闯?當(dāng)TE極化波入射時(shí),入射電場(chǎng)方向與上層金屬線垂直,由于在該方向,金屬線的幾何尺寸過小,不能有效激發(fā)表面電流,因此兩者的吸波性能幾乎相同。

(a)垂直入射

(b)入射角度為 60°

2.3 等離子體吸波超材料仿真結(jié)果分析

由上述分析可知,雖然磁性吸波材料本身有一定程度的損耗,但受到材料厚度、重量等限制,僅僅使用單一磁性吸波材料,其吸收性能并不能達(dá)到理想的效果。而對(duì)于損耗介質(zhì),其對(duì)電磁波的吸收可以表示為:

Ptotal=PE+PM=(1/2)ωε″|E|2+(1/2)ωμ″|H|2

(1)

式中:ω為角頻率;E為總的電場(chǎng)強(qiáng)度;H為總的磁場(chǎng)強(qiáng)度;ε″為介電常數(shù)的虛部,μ″為磁導(dǎo)率的虛部。由式(1)可以看出,當(dāng)材料本身已經(jīng)確定時(shí),提高其所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度或者磁場(chǎng)強(qiáng)度,可以進(jìn)一步提高其吸收效率。本文使用的磁性吸波材料,其損耗主要是源于對(duì)電磁波的磁損耗,所以利用超材料結(jié)構(gòu)單元調(diào)控甚至增強(qiáng)吸波材料所處位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度,就可以進(jìn)一步提高整體結(jié)構(gòu)的吸收性能。

當(dāng)電磁波垂直入射到所設(shè)計(jì)的等離子體吸波超材料上時(shí),電場(chǎng)沿著金屬線方向,將會(huì)激發(fā)沿著金屬線方向的表面電流,磁場(chǎng)則垂直于金屬線方向。由于磁場(chǎng)是一個(gè)有源場(chǎng),因此在金屬線的調(diào)控下,將圍繞金屬線形成環(huán)形磁場(chǎng)。同時(shí),由于金屬背板的存在,將會(huì)把磁場(chǎng)局域在金屬線結(jié)構(gòu)和金屬背板之間,從而增強(qiáng)此處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了驗(yàn)證以上的設(shè)計(jì)理念,通過使用CST仿真軟件,分別監(jiān)視了0.5 GHz和1.5 GHz處的表面電流分布和磁場(chǎng)分布,結(jié)果如圖7所示。可以很明顯地看出,由于入射的電場(chǎng)沿著金屬線方向,不論是在工作頻帶外(0.5 GHz)還是在工作頻帶內(nèi)(1.5 GHz),都會(huì)激發(fā)沿著金屬線方向的表面電流,只是在工作頻段外即0.5 GHz時(shí),所激發(fā)的表面電流較弱,與之相對(duì)應(yīng),圖7(a)和圖7(c)分別為0.5 GHz時(shí)的表面電流和磁場(chǎng)分布,可以看出,此時(shí)磁場(chǎng)在整個(gè)空間內(nèi)呈現(xiàn)比較均勻的分布,即此時(shí)金屬線幾乎沒有起到對(duì)磁場(chǎng)的調(diào)控作用;如圖7(b)和圖7(d)分別為1.5 GHz時(shí)的表面電流和磁場(chǎng)分布,可以看出,在工作頻帶內(nèi),入射的電磁場(chǎng)在金屬線表面激發(fā)了較強(qiáng)的表面電流,而且由于金屬線和金屬背板的存在,使得磁力線被局域到了兩者之間,使得此處的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到了明顯的增強(qiáng),與我們的設(shè)計(jì)理念相符合。

(a)0.5 GHz表面電流分布

(c)0.5 GHz磁場(chǎng)分布

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的等離子體吸波超材料的吸收性能,利用印刷電路板工藝,加工制備了尺寸為640 mm×640 mm2實(shí)驗(yàn)樣品,如圖8所示,樣品從上到下依次是:刻蝕有金屬線的FR4介質(zhì)、厚度為6.0 mm的PMI泡沫層,厚度為3.0 mm的磁性吸波材料層以及金屬背板,并在微波暗室里對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。受限于標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線的工作頻帶,起始測(cè)試頻率為1.0 GHz。垂直入射和斜入射60°時(shí)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比圖9所示。其中黑色曲線代表仿真結(jié)果,紅色曲線代表測(cè)試結(jié)果,顯然, 仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果的趨勢(shì)比較吻合,但由于加工、測(cè)試等不確定性因素的影響,仿真和測(cè)試的結(jié)果略微有點(diǎn)差異,但誤差是在可以接受范圍內(nèi)的,同時(shí),這也驗(yàn)證了我們?cè)O(shè)計(jì)方法的正確性。

(c)垂直入射

(d)斜入射60°

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于等離子體超材料調(diào)控傳統(tǒng)磁性吸波材料內(nèi)部磁場(chǎng)的方法,利用金屬短線調(diào)控磁場(chǎng)分布的特性,通過增強(qiáng)其與底層金屬底板之間整個(gè)局部空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度,在其中加入傳統(tǒng)磁性吸波材料后,就能有效提升傳統(tǒng)磁性吸波材料的吸波性能,進(jìn)而使整體結(jié)構(gòu)在其工作頻段都具有較強(qiáng)的吸波性能。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,垂直入射時(shí),所設(shè)計(jì)的吸波超材料可在0.9～2.2 GHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效吸收,入射角逐漸增大到60°時(shí),90%的吸收帶寬仍可以達(dá)到0.73～3.12 GHz。該設(shè)計(jì)方法在雷達(dá)隱身、電磁兼容和通信等領(lǐng)域都具有較大的潛在應(yīng)用。