基于有源超材料的可调超薄雷达吸波体研究

黄金国，郭 宇，赵治亚，李 雪，邢明军，谢镇坤

(1深圳光启高等理工研究院，广东 深圳 518000；2深圳光启尖端技术有限责任公司，广东 深圳 518000；3中航工业沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035；4超材料电磁调制技术国家重点实验室，广东 深圳 518000)

随着现代微波电子技术与现代雷达技术的飞速发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在继噪音污染、空气污染、水污染之后，电磁波污染已被世界卫生组织列为威胁人类生存的第四大公害[1]。为了防范电磁污染的危害，利用吸波材料吸收电磁波已成为防治电磁污染最为有效的途径[2]。同时，在军事领域，随着探测技术的发展，利用吸波材料实现目标隐身对提高武器系统的生存能力有着重要的意义[3-4]。民用电磁防护愈发引起重视，同时军用雷达探测技术的不断更新换代，两方面都对吸波材料提出了越来越高的要求。目前，吸波材料主要朝着超薄、低频、可调、极化不敏感等方向发展。超材料是一种特种复合材料，通过对材料关键物理尺寸进行有序结构设计，使其获得常规材料不具备的超常物理性质[5]。利用超材料技术实现高效电磁吸波，为吸波材料的研究提供了一个全新的思路。通过设计超材料的基础材料组成、周期单元形状和排列方式，能够根据需要获得相应的谐振特性[6-7]。超材料吸波体通过阻抗匹配和衰减特性实现对雷达波的吸收[8-11]。与外界环境的阻抗匹配可以使入射电磁波在超材料吸波体表面的反射最小，从而尽可能多地进入结构内部；通过高效衰减特性使进入超材料吸波体中的电磁波快速衰减而转化为热能。

目前，获得应用的超材料吸波体均为无源的，设计、制备一旦完成，其频率响应和吸收特性就被固定，也就是说，此类吸波体不具备可调谐性。由于有Rozanov效应(带宽与厚度比极限)限制[12]，无源吸波体的性能难以完全满足未来的应用需求。近年来智能超材料引起了众多研究者的兴趣[13]，主动/有源智能超材料吸收体可以突破Rozanov限制，有望进一步拓宽超材料吸收体的应用范围。实现主动/有源吸波的方法有多种，归纳起来主要有以下4类：(1)引入PIN二极管[14-16];(2)引入变容二极管[17];(3)机械调节[18];(4)利用材料本身电磁参数可调的特性[19-21]。例如，Tennant等[14]选择PIN二极管作为可控元件，设计了领结型有源频率选择表面(frequency selective surface，FSS)雷达吸收体。经测试，该有源FSS吸波体对9～13GHz内的垂直极化平面波实现了吸波特性的可调，该成果主要实现了反射率幅值的电流控制，而谐振点或吸收频段的可控迁移效果并不明显。Xu等[17]利用半圆形和三角形组合式微结构在微波段产生1个吸收峰，通过在半圆形和三角形之间嵌入可变电容实现吸收峰位置的电调控。但是该设计方案的缺陷是，微波吸收只针对1个极化有效。王连胜等[19]在超材料吸波体中加入电流变液，通过改变电流变液外加电场的强度实现了超材料吸波体吸收频率的自由调控。随着电流变液外加电场强度的增加，吸波体的吸收频率逐渐向低频移动。但是这种结构对封装提出了更高的要求，难以获得实际应用。

本工作在超材料结构中引入电阻和有源变容二极管，通过调控外加电压来调节变容二极管的电容值，进而调节超材料吸波体的吸收频带。介绍了微结构型式、微结构之间的连线方式以及电阻和变容二极管的加载方式，研究了电阻值、电容值以及极化对吸波效果的影响，并对吸波的机理进行了分析。

1 结构

图1为本工作设计的可调超材料吸波体截面示意图。超材料吸波体共分为4层，自上而下依次为FR4层、微结构阵列层、低密介质层和金属背板层。FR4层的厚度为d1，其介电常数为4.3×(1+i0.025)。微结构阵列层的厚度为d2，采用金属Cu构建微结构。低密介质层的厚度为d3，选择蜂窝作为低密介质，其介电常数为1.07×(1+i0.0024)。金属背板层的厚度为d4，材料选用金属Cu。

图1 可调超材料吸波体的截面示意图Fig.1 Schematic diagram of the cross-section for the tunable metamaterial RAM

为了实现吸波特性的主动可调，在微结构阵列中引入电阻和变容二极管，电阻和变容二极管并联排列。通过调控外加电压来调节变容二极管的电容值，从而改变吸波结构的谐振频率，实现吸收频段的主动调节。图2(a)为超材料吸波体中的微结构阵列及电压加载示意图，图2(b)为其中的1个微结构单元的结构示意图。在八边形微结构四角位置加载电阻和变容二极管。相邻对角微结构电压极性相反，奇数层的八边形微结构用金属线横向连接，连接电压正极；偶数层的八边形微结构用金属线纵向连接，连接电压负极。金属连线的宽度为w，材质为Cu。八边形微结构和连线的厚度均为d2。电阻的阻值为R，变容二极管的电容值为C。周期性微结构单元的周期为a，八边形的相对边的间距为p，八边形横向和纵向边的长度为b，相邻八边形在对角位置处的间距为g。图2(c)为横向金属连线和纵向金属连线的局部放大图。可以看到，为了避免两个方向的连线相交，在空间上做了错位处理。为了看清楚超材料吸波体的内部结构，在图2中隐藏了最表层的FR4层。

为了便于研究，本工作设定1组基础参数，如表1所示，后面的研究结果均在此组参数的基础上改变特定参数获得。

2 结果与分析

2.1 不同阻值对应的吸波效果

相邻的四边形微结构之间加载的电阻和电容都对超材料结构的吸波性能有影响。电阻R分别为900，1100，1300，1500Ω和1700Ω时的反射率曲线结果如图3所示。可以看到，不同的阻值下都在3.99GHz附近出现了1个吸收峰。在R=1300Ω时，吸收峰(反射率极小值)最深，即吸波能力最强。此外，电阻R从900Ω增加到1700Ω时，吸收峰的位置几乎没有偏移，其中心频点始终在3.99GHz附近。因此，电阻值的改变主要影响吸收峰的幅值，而不影响吸收峰的位置。

图2 可调超材料吸波体的微结构阵列及电压加载示意图(a)，1个微结构单元的结构示意图(b)及横向和纵向金属连线的局部放大图(c)Fig.2 Schematic diagrams of the microstructure array and voltage loading in the tunable metamaterial RAM(a),a periodic structural unit of the microstructure array(b),local enlargement of the transverse and longitudinal metal connections(c)

Thickness/mmd1d2d3d4a/mmp/mmb/mmg/mmw/mmR/ΩC/pF0.40.0510.110630.70.513001

图3 不同电阻对应的反射率曲线Fig.3 Reflectance curves corresponding to different resistances

为了确定吸收能力最强的时候所对应的电阻值，以100Ω为一个阻值间隔，计算600～2500Ω不同阻值对应的反射率最小值，结果如图4所示。可知，1300Ω对应最小的反射率极值。

图4 不同电阻对应的反射率最小值Fig.4 Reflectance minimum value corresponding to different resistances

为了明确超材料结构的吸波机理，计算了3.99GHz吸收峰极值处(R=1300Ω)超材料结构中的能量分布，结果如图5所示。为了使能量分布显示得更加明显，对图中的能量密度做了取对数处理。可以看到，能量主要集中在四边形微结构的4个角落处，即加载的电阻和变容二极管附近。很明显，是加载的电阻和变容二极管引起了电磁波的能量聚集和损耗。电阻和变容二极管构成的主动可控超材料能引起入射电磁波与反射电磁波的干涉，形成一个反射屏，同时入射的电磁波极化对吸波材料的作用相当于施加电压激励，引起谐振电流；在损耗介质中构成耗散电流，从而实现对电磁场能量的损耗和电磁波的高效吸收。

图5 微结构单元中的能量分布图Fig.5 Energy distribution image in the microstructure unit

2.2 不同电容对应的吸波效果

变容二极管的典型特性是，通过改变外加电压可以改变变容二极管的电容值。不同电容下对应的超材料吸收峰如图6所示。可以看到，电容从16pF降低到1pF，对应的吸收峰从1.07GHz增大到3.99GHz，吸收峰的位置变化了3.7倍。

图6 不同电容对应的反射率曲线Fig.6 Reflectance curves corresponding to different capacitances

值得一提的是，本工作设计的超材料吸波结构，虽然在一个特定的电容下是窄带吸收的，但是通过在结构中加载变容二极管实现了吸收峰的主动可调，吸收峰可以横跨很宽的频带。在雷达隐身应用中，由于不清楚对方的雷达工作频率，所以往往采用具有宽频雷达吸波特性的吸波材料。而对于本工作设计的超材料吸波结构，由于吸收峰可以在3.7倍频带内实现可调吸收，结合能够探测对方的雷达工作频率的感知元件，实现的效果相当于宽带吸收。

传统的被动超材料吸波结构，为了实现宽频吸波，往往采用多层设计，这会增大吸波结构的厚度，而本设计只需要1层就可以实现等效的宽频吸收特性。本工作设计的主动可调超材料吸波体的总厚度为1.55mm，1.07GHz吸收峰对应的波长为280mm，厚度仅为波长的1/181，远远小于传统的1/4波长吸波结构[22]，表现出了极佳的超薄特性。利用窄带可调吸波设计来等效于宽带吸波设计，这具有重要的意义，在实际使用中可以极大地降低材料的消耗和结构的质量载荷，尤其是在某些受制于设计空间的场合。

2.3 不同极化对应的吸波效果

图7为超薄主动可调超材料吸波体TE和TM极化对应的吸波效果，变容二极管的电容为1pF。可以看到，极化下的反射率曲线几乎重合，说明超薄主动可调超材料吸波体是极化不敏感的。出现这一现象的原因是，本工作设计的超薄主动可调超材料吸波体是一种中心对称结构，因此对于TE和TM极化的电磁波会表现出相同的吸波效果。

图7 超材料吸波体TE和TM极化对应的反射曲线Fig.7 Reflectance curves of the metamaterial RAM at TE and TM polarization

3 结论

(1)电阻值主要影响吸收峰的幅值，不影响吸收峰的位置。

(2)可以通过改变外加电压的方式改变变容二极管的电容值，进而调节超材料吸收峰的频率位置。电容从16pF降低到1pF，对应的吸收峰从1.07GHz增大到3.99GHz，吸收峰的位置变化了3.7倍，可以实现宽频带范围内的主动可调吸波。本工作设计的宽频带内可调超材料吸波体，结合能够探测对方的雷达工作频率的感知元件，实现的效果等效于宽带吸收。

(3)超材料吸波体的厚度仅为波长的1/181，远远小于传统的1/4波长吸波结构，表现出了极佳的超薄特性，在实际使用中可以极大地降低材料的消耗和结构的质量载荷。

(4)超材料吸波体的吸波特性对入射波的极化方向不敏感。