基于超材料和磁性材料的P波段吸收器设计

张猛 熊波

摘  要：本文介绍了一种基于超材料、磁性材料的复合吸收器的设计与仿真。吸收器由铁氧体层、金属贴片层、介电层和金属背板组成。利用两种不同的超材料吸收器结构，以特殊方式排列，最终实现了从 300 MHz 到 2 GHz 的 8.5 dB 雷达横截面降低，雷达横截面的最大下降为13 dB。吸收器的总厚度为4.5 mm，约为工作波长的1/133。此外，吸收器可以强烈吸收横向电和横向磁极化的倾斜入射电磁波，即使在40°的入射角度。

关键词：超材料;磁性材料;吸收器

中图分类号：TB33   文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00

1 介绍

近年来，随着雷达探测技术的飞速发展，对隐身技术的要求越来越高。吸收材料的使用是实现雷达隐身的有效手段[1]。然而，传统的吸收材料难以满足薄、轻、宽、强的要求[3]。作为一种新型合成材料，超材料具有吸收率高、入射角广、无表面损耗层等特点[5]。但超材料吸收器的研究主要集中在高频段[2]，在P波段（300MHz_1.2GHz）很少有研究。

为了在P波段实现高性能吸收，同时满足薄、轻、宽的要求，本文采用磁性材料和超材料相结合。由于其高磁渗透性，磁性材料可以以小厚度扩大吸收器的带宽[4]，但具有大比重的缺点。通過结合磁性和超材料设计吸收体，不仅克服了单磁性材料比重大的缺点，而且提高了设计自由度，有助于扩大吸收带宽。

2 磁性材料及其吸收特性

本文中使用的磁性材料是NiCuZn铁氧体，通常用于电磁兼容性（EMC）。文献中给出的特定电磁参数如图1所示。从图1可以看出，铁氧体材料的介电常数的实部〖ε_r〗^'和虚部〖ε_r〗^''在300 MHz至2 GHz的频率范围内几乎没有变化。磁导率的实部〖μ_r〗^'和虚部〖μ_r〗^''随着频率的增加而减小，且〖μ_r〗^'其较大，表明该材料具有极强的磁损耗特性。

本章中的所有模拟都是使用CST微波工作室软件模拟的。上述电磁参数数据被导入到CST MWS中，并创建了一种名为NiCuZn的新材料。利用周期边界条件和浮波端口模拟了材料的反射系数。图2显示了反射系数S11与NiCuZn材料厚度之间的关系。

从图2可以看出，铁氧体本身在薄厚度条件下对整个P波段具有良好的吸收性能，在低频条件下吸收性能更好。

3 单元结构设计

吸收器的单位结构如图3所示。单位结构由四部分组成，底层为金属背板，中间层为介电基板，顶层为磁性材料，中间为介电基板，铁氧体为金属方环。其中金属结构构件为铜，厚度为0.02毫米，导电率为 5.8×107 S/m。介电基板为FR-4，介电常数为4.3，电损耗因数为0.025。具体结构尺寸如下：p = 56 mm，ω1 = 46 mm，ω2 = 18 mm，l = 25 mm，m = 2 mm。整个吸收器的厚度为4.5毫米，约为工作波长的1/133，其中铁氧体厚度为3毫米，超材料吸收器的厚度为1.5毫米。图4显示了周期排列下结构的形状，可视为方形环结构和交叉结构的组合。

4仿真结果和性能分析

由于金属背板的存在，透射率T（ω）=0，吸收率A（ω）可以表示为A（ω）=1-R（ω）=1-〖S_11〗^2，因此反射系数可以用来描述超材料吸收器对电磁波的吸收图5显示了正常入射条件下的反射系数S11，由铁氧体反射系数、TE波正常入射下的反射系数和TM波正常入射下的反射系数三条曲线组成。从图中可以看出，在300 MHz至2 GHz的频率范围内，吸收器的反射系数低于-10 dB。与3mm厚的铁氧体相比，吸收器的反射系数S11从0.8GHz降低到1.3GHz，在1.2GHz时降低4dB，在正常入射下可以实现极化迟钝。

5 结论

本文设计并模拟了一种基于超材料和磁性材料的复合吸收器。仿真结果表明，该吸收器在P波段300MHz～2GHz的频率范围内可实现超宽带和高性能吸收。吸收器的厚度仅为工作波长的1/133，具有低频、宽带、偏振不敏感的特点，具有在军事上的潜在应用价值。

参考文献

[1]Pang Y， Cheng H， Zhou Y， et al， “Analysis and design of wire-based metamaterial absorbers using equivalent circuit approach，”[J].Journal of Applied Physics， 2013，113（11）：207.

[2]Tsuda Y， Yasuzumi T， Hashimoto O， “A Thin Wave Absorber Using Closely Placed Divided Conductive Film and Resistive Film，” [J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011（10）：892–895.

[3]Yuan C， Zhou Z， Qin R， et al， “Technical approach to obtain light thin and broadband coated RAM，” [J].Journal of Harbin Institute of technology，2007，39（6）：956–959.

[4]Zhai Q， Huang Y， Miao L， et al， “Application of Resin Based Absorbing Composites in Aero- nautics and Astronautics，”[J].Fiber Reinforced Plastics/composites，2009，26（6）：72–76.

[5]Cheng Y， Nie Y， Gong R， et al， “Design of a thin wide-band absorber based on metamaterials and resistance frequency selective surface，” [D]ACTA PHYS SIN，2012，61（13）130–136.

收稿日期：2019-11-12

作者简介：张猛（1972—），男，辽宁大连人，硕士，高级工程师，研究方向：超材料。