同心结构宽带超材料吸波体设计及可调性研究

摘 要 设计了一种新的基于同心开口八边形的宽带超材料吸波体。采用时域有限元积分的方法对结构单元的电磁特性进行计算，结果表明吸收率大于90%的频段为65.1GHz～68.8GHz，其宽带吸收特性具有明显的偏振相关性和尺寸依赖性；通过在结构单元的开口缝加载变容二极管，改变变容二极管的电容值能有效的调节其吸收频带，并通过等效电路对原因进行了分析。该吸波体结构简单，容易制作，在电磁隐身、电磁兼容等领域具有重要的应用价值。

关键词 同心结构；宽带；超材料吸波体；可调性

中图分类号 TB34 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）170-0091-02

超材料吸波体是一种结构型吸波体，由周期性吸收单元组成吸波阵列，每个吸波单元一般是三明治结构：顶层的金属图案、中间层的介质基板以及底层的金属板。Landy于2008年第一次提出了基于单个电环谐振器与短导线相加而成的超材料的吸波体，金属结构的谐振会让超材料吸波体中的局域场快速增强，在到了阻抗匹配的时候，含有损耗的电介质会让电磁波发生强损耗的吸收。以后，超材料吸波体的设计从微波波段进一步拓展到太赫兹频段以及红外波段和光波段，从单频带吸收扩展到双频带和三频带还有宽带以及可调吸收。对于人工结构的超材料吸波体成功的突破了Terahertz“禁带”，为超材料吸波体在医学、生物、军事以及热成像仪等领域和设备上的应用提供了广阔的前景。

超材料吸波体的吸波机理是基于电磁波的电磁谐振，当入射进入超材料吸波单元的电磁波处于金属结构的谐振频率时，吸波体的等效阻抗与自由空间的阻抗实现匹配，电磁波的反射将减少，电磁能量通过导体和介质产生强损耗，实现对电磁波的吸收。虽然上述超材料吸波体具有良好的吸波性能，但其工作频率一般是窄带的并且是固定的，这极大限制了超材料吸波体在复杂电磁环境中的实际使用。本文设计了一种新的基于同心开口八边形的宽带超材料吸波体，采用时域有限元积分的方法对结构单元的电磁特性进行计算分析，结果表明吸收率大于90%的频段为65.1GHz～68.8GHz；通过在结构单元的开口缝加载变容二极管，改变变容二极管的电容值能有效调节吸收频带。该吸波体结构简单，容易制作，在电磁隐身、电磁兼容等领域具有重要的应用价值。

1 模型设计

采用商业三维电磁的仿真软件Microwave studio CST对模型按上面所说参数进行建模，仿真过程中使用波导端口激励，周期边界条件设置为x，y方向，其中x方向为完美磁边界（PMC），y方向为完美电边界（PEC），z方向设置为激励入射端口，采用时域求解器对结构单元的电磁参数进行计算。

2 结果分析与讨论

超材料吸波体的吸波机理是基于电磁波的电磁谐振，当入射进入超材料吸波单元的电磁波处于金属结构的谐振频率时，吸波体的等效阻抗与自由空间的阻抗实现匹配，电磁波的反射将减少，电磁能量通过导体和介质产生强损耗，实现对电磁波的吸收。根据测得的S参数，采用S参数反演法计算了宽带超材料吸波体的归一化阻抗实部所示，归一化阻抗实部在65.1GHz～68.8GHz接近于1，表明宽带超材料吸波体与自由空间达到了良好的阻抗匹配，吸收率较高。

为分析结构单元的电磁波偏振相关性，将y轴方向设置成为完美磁壁，x轴方向设置成完美电壁。计算的结构单元的吸收率曲线可以看出来，改变仿真条件以后，结构单元的吸收特性发生了非常明显改变，说明结构单元的吸收特性是电磁波偏振相关的。

超材料吸波体的结构尺寸对本身吸收特性有着重要的影响，为了分析宽带超材料吸波体的结构尺寸对其吸收特性的影响，计算了每级同心开口八边形金属铜的c增加量w在不同情况下结构单元的吸收率，结果图2所示。从图2可以看出，当w从0.4mm到0.5mm逐渐增加时，结构单元吸收率90%以上的带宽逐渐减少；当w从0.4mm到0.3mm逐渐减少时，结构单元吸收率90%以上的带宽逐渐往低频发生移动，带宽逐渐减少。结构单元在不同线宽e下的吸收率如图3所示，从图3可以看出，当e从0.2mm到0.1mm逐渐减少时，结构单元吸收率90%以上的带宽逐渐往高频发生移动，带宽逐渐减少。

为分析宽带超材料吸波体结构单元的吸收频带可调性，在结构单元的中间开口缝处加载变容二极管，仿真过程中通过加载介电常数可变的介质来模拟变容二极管，其中介质的宽度为2.1mm，高度为0.3mm，厚度为0.05mm，当介质的介电常数增加时，变容二极管的电容值增加，介电常数减小时，变容二极管的电容值减小。对介质在不同介电常数下结构单元的吸收率进行计算，结果，随着介电常数的增加，吸收率90%以上的带宽逐渐往低频发生移动，带宽逐渐减少。

通过在结构单元的开口缝处加载变容二极管能有效的调节其吸收频带可以通过其等效电路解释。结构单元的等效电路如图4所示，微波信号从电路网络的左端输入，代表电磁波从吸波单元的上层金属开口八边形面垂直入射，5个不同的金属开口八边形（为表达方便，依次编号为八边形1、八边形2、…、八边形5）与FR4介质和金属基板复合形成5组电阻、电感、电容串联电路，然后并联在一起，其中的电阻？Ri（i=1，2，3，4，5）对应5组八边形金属的等效电阻；电感？Li（i=1，2，3，4，5）对应八边形金属的等效电感；电容Ci（i=1，2，3，4，5）对应八边形金属的等效电容，C6为八边形金属面与金属基板之间的等效电容。通过在结构单元的开口缝处加载变容二极管，可以有效的调节等效电路中的Ci（i=1，2，3，4，5），当Ci（i=1，2，3，4，5）逐渐增加时导致其吸收频带中由相应电容引起的吸收频率往低频发生移动，其余吸收频率不变，因此当变容二极管电容值增加时，吸收频带往低频发生移动，吸收带宽逐渐变窄。通过在结构单元的开口缝处加载变容二极管，实现了结构单元吸收频带的智能可调，为宽带超材料吸波体在实际中的应用奠定了基础。

3 结论

本文设计了一种新的基于同心开口八边形的宽带超材料吸波体。利用商业电磁仿真Microwave Studio CST中的时域有限元积分方法对结构单元的电磁特性进行计算分析，结果表明吸收率大于90%的频段为65.1GHz～68.8GHz，在该频段内结构单元的归一化阻抗实部接近于1，表明吸波体和自由空间到达了很好的阻抗的匹配。通过对本身宽带吸收特性的偏振与尺寸相关性进行了研究，表明当改变入射电磁波的偏振方式时，结构单元的宽带吸收特性消失；当改变结构单元的尺寸时，其吸收带宽将变窄；通过在结构单元的开口缝加载变容二极管，改变变容二极管的电容值能有效的调节其吸收频带，并通过建立结构单元的等效电路对原因进行了分析。该吸波体结构简单，容易制作，在电磁隐身、电磁兼容等领域具有重要的应用价值。

参考文献

[1]张洪欣，徐楠，黄丽玉，等.电磁异向介质在阵列天线中的应用研究[J].电波科学学报，2014，29（4）：673-677.

[2]保石，罗春荣，赵晓鹏，等.基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器[J].物理学报，2010，59（5）：3187-3191.