一种具有透波吸波特性多层超表面的设计

窦兴科

（中国电子长风科技有限责任公司 甘肃省兰州市 730070）

1 引言

自由调控电磁波在众多领域有非常重要的作用。例如，在滤波器和雷达天线罩领域，高度期望在一定频率间隔内实现电磁波完美传输特性[1]，而在与能量收集和隐身相关领域，具有高吸波效率的器件发挥至关重要的作用[2-4]。此外，如果能将这两种功能结合到同一装置中，这种多功能器件在智能隐身天线罩及多基站雷达等存在潜在的应用价值[5-6]。但是，由于电磁波特有的性质，传统材料的散射和吸收具有强耦合特性，任意调控电磁波的反射，透射及吸收特性是非常困难的[7]。

人工电磁材料[8-10]的兴起为制造此类光学器件提供了有效解决方案。其是由特定电磁特性的平面原子组成的二维结构，具有很强的电磁波控制能力，可以实现电磁波的完美传输和吸收。有众多研究已经提出在所需频段同时具有透波吸波特性的观点。2012年，Costa 等设计了一种电阻膜吸波材料[11]，电阻膜结构的吸波频段避开了带通频段，在不影响带通性能的同时，能够保持高频带外吸收特性，从而实现了吸、透波一体化设计。2014年，南洋理工大学沈忠祥等通过将加载集总元件的吸收型结构与透射型结构结合，在满足宽带透波效果的同时在通带两侧形成两个强吸收峰[12]，2018年，空军工程大学设计并实验验证了一种具有低频吸收、高频透射性能的结构，通过将加载集总电阻的吸波层与具有频谱滤波特性的低反高透层进行复合设计，获得对特定频段入射电磁波的选择性吸收与透射，从而实现吸波与透波的一体化设计[13]。但是，随着卫星通信技术的发展，利用Ka 波段进行卫星通信具有带宽较宽，干扰少，设备体积小等优势受到广泛关注，在此基础上进一步增强隐身性能，可有效降低设备的雷达散射截面（RCS），减小被探测的可能性。而学术上对于此类研究报道较少

针对此类需求，本文提出了一种具有超短波高透，X-Ka 波段强吸收的结构设计方案。首先给出了一般性工作原理，然后基于低频透射型超表面与高频吸收型超表面进行一体化设计，由仿真结果表明，复合型结构在0～2.5 GHz 范围内的透射率大于80%，在14.4～35.8 GHz 范围内的吸收率大于80%，且具有重量较轻，成本低且易于制造等优点。

图1

图2：低通高反型超表面示意图

2 工作原理

本文所提出的低通高吸型超表面结构由吸收层，介质层，泡沫层及低通高反层构成，如图1（a）所示。其中介质层和泡沫层对于吸收层及低通高反型金属层起到了支撑作用，并且保证了整体结构的力学性能。吸收层决定了整体结构的吸波特性，要求其在高频段具有良好的吸收特性的同时，对低频段电磁波透明。低通高反型金属层不仅提供了其透波特性且提升了吸收效率及带宽，工作原理如图1（b）所示。

需要特别注意上述只是定性的给出了低通高吸超表面的工作原理。在实际设计仿真过程中，多层结构之间必然存在相互耦合作用，每层结构不是孤立存在的。因此，本文给出了低通高反层超表面的设计，在此基础上引入吸收损耗层，进行一体化联合仿真设计，最终实现具有低频透波，高频超宽带吸波特性的超表面结构。

3 低通高吸型超表面设计

图3：不同的金属尺寸下的S 参数谱线

图4：吸收型超表面示意图

图5：不同阻值下的吸收谱线

本章节首先介绍了低通高反型超表面的设计及影响因素，接下来介绍吸收型超表面的设计及影响因素，最后通过吸收型超表面和低通高反型超表面进行复合设计实现吸透一体化功能。

3.1 低通高反型超表面设计

采用方环金属结构实现低频段高透和高频段高反的频选特性。如图2 为所设计的低通高反型超表面结构示意图，由介质基板上刻蚀一层方环金属构成。

利用CST Microwave Studio 电磁仿真软件对上述结构进行近似全波仿真，选择周期型边界条件，垂直激励，电场沿X 方向等仿真选项。在仿真过程中，金属铜的电导率设置为5.8×107S/m，选择型号为F4BM-2（εr= 2.2, tan δ=0.002）的介质基板。图3 是金属方环结构线宽 w1在不同尺寸下的透波谱线和反射谱线，由仿真结果可知，随着w1越宽，低频段的透波效率越强，带宽越宽，高频段的阻波特性越强以及阻带带宽越宽。尺寸不同，结构表现出的电磁性能不同，合理的结构参数才可以提供较好的透/阻波带宽特性。

图6

图7：正入射情况下的谱线图

3.2 吸收层超表面设计

该吸波超表面由刻蚀在介质基板上的金属结构与复合贴片电阻构成，如图4所示。金属结构采用井字形结构，复合贴片电阻镶嵌在井字形结构的缝隙中。此种形式的吸波结构，能够有效保证电磁波宽频段、宽角度的吸波特性。

表1：性能指标对比

图8：不同入射角度下垂直极化的谱线图

图9：不同入射角度下水平极化的谱线图

由于吸收层结构仅由一层基板构成，无金属背板，因此，吸收效率最高可达50%。图5 是不同的电阻值对于该结构的影响，从仿真结果可以看出，随着阻值的增加，吸收效率增强以及吸收带宽变宽，但阻值并不能无限增大，超过一定的阻值反而会使得吸收特性下降，因此，通过模拟得出合适的电阻阻值才能使得吸收性能最好。

3.3 吸透型超表面一体化设计

复合单元结构如图6所示，由两层印刷电路板组成，各功能层之间用泡沫材料连接（εPMI=1.15）。在介质基板上印刷金属结构，可以看出，第一层是吸收层，选择方环金属栅格作为单元结构，并且将电阻器焊接在金属条之间以提供在高频段的吸收。第二层是低通高反层，其可通过利用金属微结构的特性在低频段中实现良好的传输性能，同时，金属结构的谐振会使得局域场急剧增强，在达到阻抗匹配的情况下，电阻会对入射电磁波产生强损耗，实现高频段的强吸收。

采用上述仿真方法对所设计结构进行参数优化，使其满足低频透射，高频吸收的设计要求。优化后的单元结构参数如下：h1=0.25 mm, h=2 mm, h2=0.25 mm, p=3.5 mm, l=3.3 mm, s=2.5 mm, d=0.6 mm,w=0.5 mm, R=250 Ω, s1=2.5 mm, w1=0.9 mm。

4 仿真和结果

图7 给出了该结构在正入射下的透射率和吸波率。由图7 （a）可知，0～2.5 GHz 透射率超过80%。在不考虑散射的情况下，定义总能量由反射（S11），透射（S21）和吸收组成，因此吸收率（A）为：

A=1-|S11|2-|S21|2

通过仿真可以获得0～40GHz 范围内的S11和S21，利用上述公式来计算超表面的吸收率，吸收曲线如图7（b）所示。仿真结果表明，该结构在14.4～35.8 GHz 范围内，吸收率超过80%，而在16～32.8 GHz 范围内，吸收率均大于90%。

在不同入射角下，该结构的频率响应曲线如图8-9所示。从图中可以看出，随着入射角度的增加，两种极化状态下，0～2.5 GHz的透波损耗基本无变化。对于垂直极化而言，随着入射角度的增加导致吸收谱线出现坏点，带宽基本无影响，水平极化使得吸收带宽变窄。总体来看，在0°～45°入射角度内，新型结构的性能基本趋于稳定。

5 讨论

类似结构的定量比较如表1所示。对于基于Ka 波段的卫星通信设备不仅需要良好的信号传输性能，为降低被探测的风险，还需具有强大的隐身能力。从表1 可以看出，本文提出的新型超表面吸收带宽覆盖X-Ka 波段，相对带宽大于参考文献[11、13]。

6 结论

本文提出了一种低通高吸型超表面的新型设计方案。其中吸波型超表面主要决定结构的吸波特性，低通高反层超表面主要决定结构的透特性。仿真结果表明，在低频段（0～2.5 GHz）透射率大于80%，高频段（14.4～35.8 GHz）的吸收率达到80%，相对带宽达到85%。在 0°～45°扫描范围内, 低频段透波插损无变化，吸收频段带宽略变窄，整体性能基本稳定这种新颖的超表面在雷达隐身以及减少设备之间电磁干扰等领域具有重大意义。同时具有成本低，易加工等优势。当然，缺陷在于该设计未通过实验验证。