基于超材料的多波段吸收器设计

叶晟寅 刘菲 刘明鑫

摘 要：设计了一种基于超材料的微波多波段吸收器。吸收器主要由多金属闭合环周期性阵列构成。利用电磁仿真软件进行了仿真设计与分析，吸收峰的个数主要取决于闭合环的个数；吸收峰的频率则主要取决于闭合环的尺寸。所设计的多波段吸收器可应用于测辐射热仪、频谱成像等领域，并由于其波段个数与频率的可控性大大提高了应用的灵活性。

关键词：吸收器；超材料；多波段

中图分类号：TN817 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）11-0043-02

1 引言

微波吸收器可吸收一定频率的电磁波，达到“隐身”的效果，被广泛应用于频谱成像、测辐射热仪等领域，从而引起广泛关注[1]。超材料作为一种基于自然物理性质的人工复合结构，具有零损耗的优点，因而成为制作微波吸收器的首选材料。多波段微波吸收器可以同时吸收多个频率的电磁波，从而具有较大的应用灵活性。近年来，对于基于超材料的多波段微波吸收器被广泛研究。2010年，程用志等人提出了圆环结构电磁吸收材料，对于垂直入射的激励波能够产生极高的吸收率[2]。2012年，沈晓鹏等人在研究基于超材料的双波段微波吸收器时，所设计的双波段吸收器的吸收率可达到99.60%和95.83%[1]。随后在2013年，刘亚红等人设计了多频和宽频超材料吸收器，这种吸收器可以通过调节圆片与圆环的尺寸、结构、以及材料来控制吸收器的多频和宽频吸收[3]。而后，马岩冰等人提出了基于科赫分形的新型超材料双频吸收器，这款吸收器比传统的正方形吸收器尺寸缩小了17.6%，使得效率与灵活性大大提高[4]。基于此，本文设计了一种基于金属闭合环超材料的微波多波段吸收器，其结构简单，波段可控，制备方便，使用灵活。

2 吸收器设计

吸收器主要由多金属闭合环周期性阵列构成。如下图1所示，三金属闭合环结构单元如下图1所示。吸收器有上中下三层组成，最下层为金属铜背板，电导率约为δ=5.8 *107s/m，高度为T2=0.2mm，长宽均为L4=20mm；中间层为FR4介质板，介电常数为ε=4.4，损耗正切为tanδ=0.02，高度T1=1.0mm，长宽均为L4=20mm；上层是3个金属铜闭合环结构，高度为T2=0.2mm，金屬环的宽度分别为W1=W2 =W3=1.0mm，长度分别为L1=9.5mm，L2=7.0mm，L3=5.0mm。电磁波信号垂直于闭合环平面由上向下入射。

3 仿真及理论分析

采用电磁仿真软件进行仿真分析[5]，图2给出了吸收器的吸收率曲线。可以看出，在2GHz-12GHz电磁波段内，三环闭合回路结构可以实现三波段吸收峰：分别在4.9GHz出现第一个峰，7.3GHz出现第二个峰，10.1GHz出现第三个峰，其吸收率均可达到40%以上。通过分析吸收器上下两层金属铜的表面电流分布，可以得到：一方面入射电磁波激发结构单元内上层三个铜闭合环的电偶极子响应；另一方面，在上层闭合环与下层背板上产生了反向电流引起磁谐振。电响应与磁响应的共同作用使得吸收器在多个波段内实现与自由空间的阻抗匹配，从而得到三波段吸收峰。

然后，为了进一步验证各个闭合环与吸收峰的相互关系，我们进行了以下设计与计算：依次删除环1、环2、环3，并计算其相应的吸收谱，如图3所示。当删除其中任一个闭合环时，都只能够得到双波段吸收峰。并且，环1对应峰1，其频率约为5GHz；环2对应峰2，其频率约为7GHz右；环3对应峰3，其频率约为10GHz。每个吸收峰频率的细微变化是由于各个闭合环之间具有较小的相互作用，即各个闭合环的电偶极子模式之间存在微小的模式杂化。杂化程度取决于闭合环之间的距离，距离越小，模式杂化越明显。但总而言之，可以推断得到：吸收峰的个数是可控的，其取决于金属闭合环的个数；且闭合环长度越小，吸收峰频率越高。

最后，进一步研究了闭合环宽度对吸收峰的变化规律的影响。我们固定最外环（1环）的宽度W1、中环（2环）的宽度W2、以及内环（3环）的长度L3，仅仅依次改变内环（3环）的内径，使得内环（3环）的宽度W3分别为0mm，0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，其吸收谱如图4所示。分析对比数据结果可知：吸收器中吸收峰的波段可由闭合环的尺寸大小来控制调节，即随着闭合环宽度的增加，吸收峰的频率依次增大，且吸收率依次增加。并且，5GHz与7GHz处吸收峰无明显变化，这更进一步说明了这两个波段分别取决于最外环（1环）和中环（2环）的尺寸。

4 结语

本文设计了一种基于金属闭合环超材料的微波多波段吸收器。由计算结果可知吸收峰的个数可由闭合环的个数控制，闭合环的个数越多，吸收峰的个数越多；吸收峰的频率和大小可由闭合环的宽度决定，环的宽度越大，吸收峰的频率越高，吸收率越大。所设计的多波段吸收器可应用于测辐射热仪、频谱成像等领域，并由于其波段个数与频率的可控性大大提高了应用的灵活性。

参考文献

[1]沈晓鹏，崔铁军，叶建祥.基于超材料的微波双波段吸收器[J].物理学报，2012，（05）：467-471.

[2]程用志，肖婷，杨河林，肖柏勋.圆环结构人工电磁吸波材料的仿真与实验研究[J].物理学，2010，（08）：5715-5719.

[3]刘亚红，方石磊，顾帅，赵晓鹏.多频与宽频超材料吸收器[J].物理学报，2013，（13）：220-227.

[4]马岩冰，张怀武，李元勋.基于科赫分形的新型超材料双频吸收器[J].物理学报，2014， （11）：322-328.

[5]李明洋，刘敏. HFSS天线设计（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2014.