轻质花形超材料宽带吸波器

文慧鹏,吕晓龙,郭云胜

(内蒙古科技大学 理学院,内蒙古 包头 014000)

超材料是一种依据电磁理论设计出来的特异性材料,通常由亚波长结构单元按周期或有规律的非周期方式排列组合而成,可以有效地吸收特定频段的电磁波[1-2]。2008 年Landy 等[3]首次提出利用开口谐振环和金属条作为单元结构的超材料对微波频段的电磁波实现完美吸收,研究人员用等效电路对其吸收机理进行了详细分析[4]。之后,Guo 等[5]设计了一种简单拓扑结构超材料,在金属板上放置介质颗粒即可实现对可见光的完美吸收。另外,由氧化铟锡电阻膜[6]、FR-4 与金属谐振结构[7]组成的超材料吸波器也实现了各自工作频段的完美吸收。然而,上述超材料吸波器的吸收频带较窄。为拓宽吸收带宽,面内多谐振结构[8-9]、多层复合结构[10]以及全介质共振结构[11]等多种超材料吸波结构应运而生。但是,受谐振吸收机理的制约,这些结构的吸收带宽依然有限。

与介电材料相比,磁性材料的折射率较大,并存在磁损耗和介电损耗两方面的耗散特性。因此,基于磁性材料制作的吸波器在拓宽吸收带宽等方面具有一定优势[12-13]。但是,这些吸波器在重量和厚度等方面存在不足[14-15]。本文提出一种由磁性复合材料吸波片制作的花形超材料吸波器,不仅可以拓展吸波片本身的带宽,还能显著降低吸波片的重量,可进一步拓宽吸波片在电磁隐身领域的应用。

1 结构优化和反射损耗

图1(a)是绵阳西磁科技有限公司生产的磁性复合材料吸波片,电磁参数的测试结果如图1(b)所示。吸波片在低频段具有较大的磁导率虚部,高频段具有较大的介电常数虚部,它们在各自的工作频段都可吸收一定程度的入射电磁波。对于有金属背板的磁性复合材料吸波片,其谐振吸收频率符合如下关系[16]:

图1 (a) 磁性复合材料吸波片;(b) 吸波片的电磁参数;(c) 反射损耗随吸波片厚度变化Fig.1 (a) Magnetic composite absorber;(b) Electromagnetic parameters of the absorber;(c) Reflected loss with absorber thickness

式中:t、f和c分别表示吸波片的厚度、谐振吸收频率和光速;εr和μr分别表示吸波片的复介电常数和复磁导率。对于有金属背板的吸波材料,反射损耗能够反映其吸波性能。本文采用的磁性复合材料吸波片的反射损耗随厚度变化的关系如图1(c)所示,随吸波片厚度的增加,反射损耗峰逐渐向低频方向移动,峰值也逐渐减小。当吸波片的厚度t=3 mm 时,反射损耗峰最小,为-37.5 dB,吸收频带较窄(对应于反射损耗小于-10 dB);当厚度t=1.5 mm 时,吸收频带变宽,能在4.3～5.9 GHz 频率范围内实现高效吸收。然而,受厚度因素影响,吸波片的吸收带宽有限。

鉴于超材料吸波单元能够对吸波频段进行调控[17],利用COMSOL Multiphysics 软件在磁性复合材料吸波片的基础上设计了如图2 所示的花形镂空超材料吸波单元。吸波单元周期为a,吸波片厚度为d=3.18 mm,金属铜板厚度为0.1 mm,花瓣镂空部分的两个椭圆的长半轴与短半轴分别为r1和r2。设置周期性边界条件,电磁波沿z方向垂直入射到吸波单元表面。

图2 花形超材料吸波器结构单元。(a)正视图;(b)立体图Fig.2 Structure of flower-shaped metamaterial absorber unit cell.(a) Front view;(b) Three-dimensional diagram

分别对周期为10,11,12 和13 mm 的吸波单元进行优化,固定椭圆短半轴r2=2 mm,对椭圆长半轴r1进行参数化扫描,结果如图3 所示,吸波单元的反射损耗趋势相似,均出现一个反射损耗峰,并且随长半轴r1增加,峰值逐渐减小。当单元周期为10 mm,长半轴r1为6.3 mm,频率为7.6 GHz 时,反射损耗最小,为-14.6 dB,且在6～ 18 GHz 频率范围内实现90%以上的吸收。同时,反射损耗峰随长半轴r1的增加逐渐向高频移动,但当结构单元周期变大时,反射损耗峰向高频移动的幅度逐渐减小。优化后的吸波单元可分别在5.4～18,5.2～18,4.9～18 和4.6～18 GHz 频率范围内实现90%以上的吸收。当单元周期为13 mm 时吸收带宽达到最大,为13.4 GHz。

图3 超材料结构单元周期随r1变化的反射损耗。(a) 10 mm;(b) 11 mm;(c) 12 mm;(d) 13 mmFig.3 Reflection loss of metamaterial structural unit cell period with r1.(a)10 mm;(b)11 mm;(c)12 mm;(d) 13 mm

综上所述,花形镂空结构可以使吸波片具有良好的宽带吸收效果。当结构单元a为13 mm,r1为8.3 mm,r2为2 mm 时,吸收带宽能达到最大。与传统的磁性复合材料吸波片相比,吸收带宽的频率范围由4.3～5.9 GHz 变为4.6～18 GHz,吸收带宽扩大11.8 GHz。因此,花形镂空结构可以显著拓展吸波片的吸收带宽,也在很大程度上减轻了吸波片的重量,更加利于实际应用。

2 宽带吸收机理

吸波器的吸收率A是由反射率R和透射率T共同决定,即A=1-R-T。减小材料的反射率和透射率,可以提高吸收率。对于有金属背板的吸波器,透射率T为0,A可以用反射损耗S11表示为:

当吸波器对电磁波的反射越小,其吸收能力就越强,反射率为0 时吸收率达到最大。

阻抗是影响吸波器反射大小的重要因素[15],利用反射损耗S11和等效阻抗Zeff的关系式,对反射损耗最小的吸波结构单元(a=10 mm,r1=6.3 mm,r2=2 mm)进行阻抗反演[18]:

得到吸波单元的等效阻抗如图4 所示,在6～18 GHz 的频率范围内,吸波器的等效阻抗实部和虚部分别在0.6～0.75 和-0.35～-0.2 范围内波动。在反射损耗峰值处的等效阻抗Zeff=0.73-0.18i,其实部接近1,虚部接近于0。所以,优化花形镂空结构能使吸波单元的等效阻抗接近自由空间阻抗,减少了对电磁波的反射,增强了吸波器的吸收效果。

图4 花形镂空超材料吸波器的等效阻抗Fig.4 Equivalent impedance of the flower -shaped hollow metamaterial absorber

为进一步探究结构单元的吸波机理,图5 给出反射损耗最小的电阻损耗、磁损耗和总功率损耗分布云图。由图可知,吸波单元的总功率损耗主要集中在花形镂空结构的边缘,呈明显的对称性;电阻损耗集中分布在花瓣叶尖上;磁损耗集中分布在花瓣叶尖以外的花瓣边缘。总功率损耗分布与磁损耗分布相似,吸波单元的吸收主要取决于磁损耗。因此,花形镂空结构可以将电磁能量更好地耗散在花形镂空边缘,从而增强对入射场能量的吸收。

图5 花形镂空超材料吸波器的功率损耗。(a) 电阻损耗;(b) 磁损耗;(c) 总功率损耗Fig.5 Power loss distribution of flower -shaped hollow metamaterial absorber.(a) Resistance loss;(b) Magnetic loss;(c) Total power loss

3 实验与分析

为验证花形镂空结构的宽带吸收效果,制作反射损耗最小的花形镂空超材料吸波器,如图6(a)。使用紫外纳秒精密切割机对大小为20 mm×20 mm 的磁性复合吸波片进行雕刻,将雕刻好的吸波片附着在铜板上,采用自由空间法对制作好的超材料吸波器进行测试。测试系统和吸收率的实验及仿真结果如图6(b)所示。曲线d和e 分别为花形镂空超材料吸波器吸收率的测试及仿真结果,f为磁性复合材料吸波片吸收率的测试结果。对比结果发现,吸波片的吸收带宽只有1.6 GHz(吸收率超过80%),而花形镂空超材料结构能使吸波片在5.4～18 GHz 的频率范围内实现吸收,吸收带宽可达到12.6 GHz。与单独的吸波片相比,花形镂空超材料结构拓宽了吸收带宽,并使吸收带宽内的吸收效率提高了20%。然而,受加工精度影响,结构单元的尺寸发生了微变,因此花形镂空超材料吸波器的实验结果与仿真结果在高频时的差异较大。另外,将花形镂空超材料吸波器与表1 所示的其他已发表文献提到的宽带吸波器相比,花形镂空超材料吸波器在较低频段的吸收频带较宽,厚度比绝大多数超材料吸波器薄。另外,不同于传统“三明治” 结构或多层金字塔堆叠结构,花形镂空结构简单易制作。所以,基于花形镂空结构制作的吸波器在电磁隐身领域内的应用更具有优势。

表1 微波区宽带超材料吸波器的性能对比Tab.1 Performance comparison of broadband metamaterial absorbers in the microwave region

图6 (a) 样品及测试系统;(b) 花形超材料结构的吸收率及吸波片的吸收率Fig.6 (a) Sample and test system;(b) Absorption rate of flower-shaped metamaterial structure and absorber

4 结论

本文设计了一种轻质宽带超材料吸波器,该吸波器能够通过调节吸波单元的结构参数优化自身的等效阻抗,与自由空间阻抗实现匹配,减少吸波器对电磁波的反射,使入射场能量更好地耗散在吸波器中,从而实现宽带吸收。仿真结果表明,当吸波单元的周期为10 mm,吸波片的厚度为3.18 mm,花形镂空结构的长短半轴分别为6.3 和2 mm 时,吸波器可在5.4～18 GHz 的频率范围内实现高效吸收,带宽达到12.6 GHz。通过实验进一步验证,吸收带宽和效率与仿真结果基本吻合。花形镂空结构简单易制作,在拓宽吸收带的同时,还可以减轻吸波器的重量,这可为宽带超材料吸波器的研发提供新的思路,对未来电磁吸波领域装备的研发具有借鉴作用。