适用于77GHz车载毫米波雷达电磁屏蔽的超材料吸波体设计

王连胜，夏冬艳，丁学用，汪 源

（1.三亚学院 理工学院，海南 三亚 572022；2.三亚学院 财经学院，海南 三亚 572022）

电动化、智能化、网联化、共享化已成为全球汽车产业发展的战略方向，智能网联汽车作为电子信息技术与传统汽车产业跨界融合的产物，成为汽车“新四化”发展的核心引擎。智能网联汽车是指车联网与智能车的有机联合，是搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与人、车、路、后台等智能信息交换共享，实现安全、舒适、节能、高效行驶，并最终可替代人来操作的新一代汽车。77GHz 车载毫米波雷达凭借其成本低、技术比较成熟、全天候场景工作等优点成为智能网联汽车中必不可少的关键部件。由于77GHz车载毫米波雷达的波长处于毫米级别，很容易通过电子设备上外壳上的孔缝进入电子设备内部，影响电子设备的正常工作，因此设计77GHz车载毫米波雷达信号电磁吸收材料具有重要的意义。

近年来，超材料因其可重构的电磁特性以及在电磁波调控、成像、储能等领域的巨大应用潜力吸引了广泛的关注[1-3]。超材料吸波体是超材料的一个重要研究方向，在电磁吸收、宽带通信、雷达探测和信号选择性接收等方面具有重要的应用[4-8]，其设计原理是通过优化超材料的结构单元使其在入射电磁波的作用下产生电磁谐振，进而吸收入射电磁波的能量。2008年Landy等首次实现了基于电磁谐振环的超材料吸波体[9]，吸波体在11.5GHz处的吸收率达到了88%。随后，超材料吸波体在微波、太赫兹和可见光波段以及极化不敏感和大角度入射等方面取得了极大的成就[10-13]。

本文基于柔性透明导电薄膜ITO和柔性透明介质设计了适用于77GHz车载毫米波雷达电磁屏蔽的超材料吸波体。吸波体能在以77GHz为中心的一段频带内对入射电磁波产生强烈的吸收。吸波体具有结构简单、光学透明、柔性和吸收效率高等优点，在电子设备屏蔽77GHz车载毫米波雷达信号、保证电子设备运行正常方面具有重要的应用价值。

1 设计理论

传统超材料吸波体一般为金属谐振单元—中间介质—金属基板的三明治结构，在电磁波垂直入射情况下，其吸收率A(ω) = 1-T(ω) -R(ω)、（（T(ω)为透射率，R(ω)为反射率）。结构单元的底层金属基板使得透射率T(ω) = 0，故吸收率的计算公式可以简化为A(ω) = 1-R(ω)。

根据简化后的吸收率计算公式，超材料吸波体设计的基本思路是通过优化其结构单元使其没有反射。反射率由吸波体与自由空间的阻抗匹配决定，当吸波体与自由空间达到完美阻抗匹配时，入射电磁波将完全耦合进入吸波体内部而没有反射，此时吸波体将会实现对入射电磁波的完美吸收。

传统超材料吸波体的金属结构对应的等效电路中等效电容和等效电感具有频率不稳定性，其表面阻抗在偏离中心频率的其它频率处与自由空间的表面阻抗相差较大，因此传统金属结构的超材料吸波体存在吸收频带较窄的问题。电路谐振相对于频率的变化比较稳定，其表面阻抗能在谐振频率附近很宽的频带内与自由空间阻抗匹配。因此，可以用电阻膜结构代替传统超材料吸波体的金属结构，从而实现超材料吸波体的宽带吸收[14]。

2 模型设计

本设计的适用于77GHz车载毫米波雷达信号电磁屏蔽的柔性光学透明超材料吸波体结构单元如图1所示，结构单元由ITO导电薄膜同心圆环、介质层和ITO导电薄膜基底3层介质组成，其中介质层为柔性好且透光率较高的PDMS介质（聚二甲基硅氧烷）。ITO导电薄膜的方阻为12Ω/□；PDMS介质的介电常数ε= 2.35，损耗角正切tanδ= 0.002 5。优化后结构单元的结构尺寸参数为：a=b= 0.81 mm，r1= 0.54 mm，r2= 0.405 mm，w=0.05 mm，t1=0.02 mm，t2=1.5 mm，t3=0.05 mm，上述结构尺寸参数是对结构单元进行优化设计后得到的。

图1 超材料吸波体结构单元示意图，（a）立体图，（b）前视图，（c）侧视图Figure 1 The unit cell of metamaterial absorber,(a)perspective view,(b)front view,(c)side view

采用商业电磁仿真软件Microwave Studio CST对上述结构单元进行仿真计算。仿真过程中设置x和y方向的边界条件为unit cell，z方向的边界条件为open。采用频域求解器对结构单元的有关电磁参数进行仿真计算。

3 结果与讨论

根据吸收率的计算公式以及仿真提取的S11参数，计算得到的吸波体吸收率曲线如图2所示。吸波体在74GHz～78GHz范围内的吸收率超过了90%，其中77GHz处的吸收率达到了98%。

图2 超材料吸波体的吸收率曲线Figure 2 The absorption curve of metamaterial absorber

图2所示的结果是在假设电磁波垂直入射到结构单元得到的，但是实际应用环境要求吸波体在不同极化方向和较宽的入射角度范围具有较高的吸收率。图3是不同极化方向下吸波体的吸收率曲线，结构单元的旋转对称性使得其吸收特性具有极化无关性。图4是不同入射角度下吸波体的吸收率曲线。由图4可以看出，在TE模式和TM模式下，当入射角度θ从0°逐渐增加到40°时，吸波体在中心频率77GHz处的吸收率始终保持在70%以上。上述结果表明，吸波体在一定的入射角范围内依然能在中心频率77GHz处保持良好的吸收性能，这对实际应用非常重要。

图3 不同极化方向下超材料吸波体的吸收率曲线Figure 3 The absorption curve of metamaterial absorber under different polarization angle

图4 不同入射方向下超材料吸波体的吸收率曲线Figure 4 The absorption curve of metamaterial absorber under different incident angle

以上仿真结果表明：利用ITO导电薄膜和PDMS介质使吸波体具有柔性光学透明的特点；该吸波体的吸收特性具有极化不敏感的特点，并且在一定的入射角度范围内能够保持对入射电磁波的良好吸收，该吸波体适用于77GHz车载毫米波雷达信号的电磁屏蔽。

4 吸收机理分析

为深入探究吸波体电磁波吸收机理，对吸波体在77GHz处的电流分布进行监控，结果如图5所示。在入射电磁波的作用下，顶层ITO导电薄膜圆环左右两边的表面电流平行向下，这种平行电流会导致电荷在圆环上下部分进行交替积累，进而产生电谐振[15]；入射电磁波在底层ITO导电薄膜上激发的表面电流向上，与顶层ITO导电薄膜圆环上的表面电流方向相反，形成了电流回路，进而产生磁谐振[16]。吸波体在77GHz入射电磁波的作用下同时产生了电谐振和磁谐振，此时入射电磁波的能量将会被吸波体完美吸收。宽带吸收产生的原因是由ITO导电薄膜圆环—PDMS介质—ITO导电薄膜组成的吸波体是一种电路谐振结构，而电路谐振相对于频率的变化比较稳定，其表面阻抗能在谐振频率附近很宽的频带内与自由空间阻抗匹配，从而可以实现宽带吸波[14]。

图5 吸波体在77GHz处的表面电流分布Figure 5 The surface current distribution of metamaterial absorber working at 77GHz

5 总结

针对智能网联汽车77GHz 车载毫米波雷达信号的电磁屏蔽问题，设计了柔性光学透明的超材料吸波体。吸波体在74GHz～78GHz范围内的吸收率超过了90%，中心频率77GHz处的吸收率达到了98%，实现了对车载毫米波雷达77GHz频段信号的良好电磁屏蔽。吸波体具有结构简单、柔性、光学透明和极化无关的优点，对电子设备77GHz车载毫米波雷达信号电磁屏蔽方案设计具有一定参考意义。