一种基于超材料的六频带吸波体设计

李 易

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

超材料吸波体在近些年引起了人们的广泛关注。自从2008年Landy[1]等第一次提出了完美吸波的超材料吸波体，人们开始深入研究这种通过达到阻抗匹配时的金属结构谐振和有损耗的电介质对电磁波进行损耗吸收的吸波体。之后，人们对超材料吸波体的研究慢慢扩展开来，例如双频带[2-3]、三频带、宽带[4]和可调频带吸收。

本文采用6个同心金属环相套的结构，实现了6个频带的吸波。由于组成该结构单元的金属方环具有四重旋转对称性，所以该结构具有极化无关特性，又由仿真验证该结构具有入射不敏感特性。

1 结构设计

本文利用HFSS软件进行建模仿真，模型由真空腔，金属背板，超材料介质与金属结构四部分组成，如图1所示：

图1 仿真模型

图2 结构尺寸

真空腔体四周设置二个主从边界条件用于控制入射波入射角度以及模拟无限周期单元，顶部设置floquet端口模拟无限远处发射来的平行入射波。

超材料吸波体的单元结构如图2所示，由超材料介质，金属背板与金属结构三部分组成，超材料介质为FR4材料，顶面为边长a=18mm的正方形，厚度t=3mm，介电常数4.4，电损耗正切角0.02。金属背板与金属结构材料都为铜，金属结构由6个同心方框组成，最大的方框边长c=16mm，每个方框宽度均为e=0.6mm，方框间距均为w=0.2mm。

2 仿真分析

2.1 吸波率

反射率R=|S11|2，透射率T=|S21|2，吸波率A=1-|S11|2-|S21|2=1-R-T，其中S11为该吸波体的反射系数，S21为吸波体的传输系数。因为模型中底面是金属底板，没有电磁波透射，所以|S21|2=0，则A=1-|S11|2=1-R。通过HFSS仿真得到该结构在2GHz到7GHz频段范围内的吸波效果如图所示：

图3 吸波率曲线

由图3中可以看出一共有6个吸收波峰，2.5GHz处波峰较低，仅达到64.7%的吸波效率。其他5个波峰均达到了90%以上的吸波效率，在3.32GHz处效率为94.1%，在3.78GHz处效率为98.1%，在4.36GHz处效率为98.9%，在5.12GHz处效率为90.5%，在6.14GHz处效率为96.6%。该吸波体结构可以实现在3.32GHz、3.78GHz、4.36GHz、5.12GHz以及6.14GHz这5个频点处的完美吸波，而在2.5GHz处吸波效果不是很理想。

2.2 宽入射角特性

通过设置不同电磁波入射角度进行仿真得到下图结果：

图4 不同入射角的吸波率曲线

从图4中可以看到，在0°，20°，40°，60°以及80°这五种入射角度情况下，吸波率曲线变化不大，所以该结构具有入射角不敏感特性。

2.3 谐振吸波

超材料吸波体是利用超材料的电磁谐振特性达到吸波功能的。在不同的谐振频点处，超材料吸波体的不同区域发生电磁谐振将电磁波能量限制在吸波体内，并转化为热能完成吸波。

为了更好地理解吸波原理，分别对6个谐振频点处上层结构与金属底板上的电流分布进行了仿真。

图5 在2.5GHz处结构和金属底板表面电流分布

从图5中可以看出，在2.5GHz处主要由最大的方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。

图6 在3.3GHz处结构和金属底板表面电流分布

从图6中可以看出，在3.3GHz处主要由从外到内第二个方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。

图7 在3.78GHz处结构和金属底板表面电流分布

从图7中可以看出，在3.78GHz处主要由从外到内第三个方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。

从图8中可以看出，在4.36GHz处主要由从外到内第四个方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。可以看到电流分布向右侧偏移。

图8 在4.36GHz处结构和金属底板表面电流分布

图9 在5.12GHz处结构和金属底板表面电流分布

从图9中可以看出，在5.12GHz处主要由从外到内第五个方框与金属底板发生电磁谐振，在左右两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。

图10 在6.14GHz处结构和金属底板表面电流分布

从图10中可以看出，在6.14GHz处主要由最小的方框与金属底板发生电磁谐振，在两个对角形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。通过上述结果，可以看出吸波结构的不同部位，分别影响不同频点的谐振吸波。

3 结束语

本文通过HFSS仿真设计了一种基于电磁超材料的具有6个频带吸波特性的吸波体。该吸波体拥有在2.5GHz、3.32GHz、3.78GHz、4.36GHz、5.12GHz、6.14GHz等6个频点处的吸波峰值，只有在2.5GHz处吸波率仅达到64.7%，其他5个频点均达到了吸波率90%以上的完美吸波。此外由于该结构具有四重旋转对称性，因而具有极化不敏感特性，又经由仿真验证该结构具有宽入射角特性，该超材料吸波体在雷达隐身领域具有潜在应用价值。