| 标题 | 一种基于集总电阻加载的宽频超材料吸波器设计 |
| 范文 | 张漫 杨晓庆 罗杰方 周彤 李哲 摘 要 设计了一种用于宽带吸波的集总电阻加载的超材料吸波器，并进行了理论和仿真分析。仿真结果显示该吸波器实现了在20.8 GHz到33.0 GHz频段内具有超过90%吸波率的良好吸波特性。通过对该结构在有无集总电阻加载的情况下对吸波率和能量损耗的仿真结果比较得出，集总电阻是实现宽频带吸波的主要因素。此外，该吸波器还具有对TE波、TM波不敏感和50度宽入射角的特性。有理由相信，该吸波器在电磁隐身领域将具有广阔的应用前景。 关键词 吸波超材料 集总电阻 宽频带 极化不敏感 宽入射角 中图分类号：TN929文献标识码：A 0引言 超材料是一种由具有亚波长特性的结构单元通过周期性排列而构成的人工电磁媒质。通过调整周期单元的尺寸、结构、排列方式等，超材料的电磁特性也会随之发生变化，从而实现“完美透镜”成像、隐身斗篷、极化转换等功能。由此，超材料一直都具有非常广泛的应用场景。2008年，Landy等人利用金属开缝环、FR4基板和金属线构成的超材料实现了对11.48 GHz电磁波96%的吸波率，从此可用于电磁隐身的超材料吸波器走进了研究者们的视野。超材料吸波器也叫做电磁损耗超材料，是一种能将电磁能量轉化为其他形式能量的功能性材料，同时它还具有厚度薄，质量轻，吸收强，频带宽等优势，在电磁隐身方面具有非常重要的潜在应用价值。 对于吸波器来说，宽频吸收是评估其具有应用价值的标准之一，同时也是每一个研究者所追求的目标。目前能够实现吸波器宽频吸收的设计方法主要有三种，第一种是利用多个金属图案层和介质层交替叠加从而实现宽带吸波;第二种是利用不同谐振点的金属图案的排列来实现宽带吸收;第三种主要是通过将超材料设计思想与阻抗匹配理论结合起来实现宽频效果，该方法目前也已经成为设计宽频超材料吸波器的一个热点，尤其是基于集总元件加载的吸波器，通过调整结构单元和集总元件的参数，可以有效地调节其频率响应特性和吸收性能，从而实现宽频效果。 本文设计了一种基于集总电阻加载的宽频超材料吸波器。该吸波器的单元结构由缺口金属柱面，和加载在缺口处的集总电阻组成，实现了在20.8 GHz到33.0 GHz频段内具有超过90%以上吸波率的良好特性。同时，该吸波器还具有对TE、TM波不敏感和50？宽入射角的特性，因此，在电磁隐身领域它将具有极大的应用潜力。 1理论分析 1.1单元结构分析 如图1所示，设计的超材料吸波器单元是由上层加载集总电阻的缺口金属柱面，中间的介质层，和底层的接地金属片构成，其中金属是电导率= 5.96 ？107 s/m的铜，介质层是介电常数= 3.9，，损耗角正切tan = 0.02的FR4介质板。根据等效介质理论可知，超材料吸波器的吸波率A（ ）可表示为 为了分析集总电阻对该吸波器在吸波效果上的作用，我们分别仿真了在有无集总电阻加载的情况下，其在吸波率上的变化和能量损耗。如图2显示，在加载集总电阻后，整个吸波器的吸波效果得到了大幅度的提升，其中f代表的是频率，Load和No load分别代表加载和未加载集总电阻。 除吸波率以外，我们还分别在两个强谐振点20.9GHz和30.6GHz处进行了电磁能量损耗的仿真。如图3可以看出，在未加载集总电阻时，超材料的能量损耗主要发生在缺口的缝隙里，且损耗的程度相对较小，而在加载后，不仅是缝隙里有损耗现象，金属内部的能量损耗也非常明显，且损耗的程度相对较大，这说明集总电阻的加载使该吸波器产生了更大的欧姆损耗，即更多的电磁能量转化为热量被损耗，这也从解释了图2中吸波率的变化。 1.2仿真结果 在图2中，我们展示出该吸波器在20.8到33.0 GHz频段内具有90%以上吸波率的良好特性。但是除此之外，其还具有极化不敏感和宽入射角的优势。为此，我们对其进行了仿真验证。如图4（a）所示，该吸波器在TE波和TM波的垂直入射下，它的吸波效果几乎不发生变化，体现出其非常好的不敏感性。当然，好的吸波材料要求不仅能在垂直入射波的照射下具有良好的吸波效果，也要能在一定的角度范围中保持这种效果。正像仿真结果所展示的那样，该吸波器随着斜入射角度的增加，吸波效果也在不断变差，直到25。仍能保持90%以上的吸波率，由于它的结构对称性，最终确定能接受50度范围内的斜入射，如图4（b）所见。 2结论 本文设计研究了一种基于集总电阻加载的宽频超材料吸波器。该吸波器在20.8 GHz到33.0 GHz频段内具有90%以上吸波率的良好特性。为了说明集总电阻对宽频吸波的作用，我们对加载前后的吸波结构进行了吸波率和能量损耗的仿真，结果证明，在添加集总电阻后，整个吸波结构将电磁能量转化为欧姆损耗的能力得到提升，从而实现了吸波率的大幅度增加。除了宽频吸波以外，该吸波器还具有极化不敏感和宽入射角的特性。仿真证明，在TE波和TM波的垂直入射下，该吸波器的吸波效果几乎保持不变，这表明了它良好的极化不敏感性。为了说明它的宽入射角特性，我们分别仿真了不同入射角度下的吸波率，证明其在50。的入射范围内仍能保持相同频率范围90%以上的吸波率。由此，我们相信该吸波器在电磁隐身领域将具有极大的应用前景。 *通讯作者：杨晓庆 基金项目：这项工作得到了国家自然科学基金（11572248号）、制造工艺检测技术重点实验室开放项目（11572248号）、教育部（18kfzk03号）的资助。 作者简介：张漫，女，汉族，1995年8月15日出生于河南省信阳市固始县，现于四川大学电子信息学院应用电磁研究所攻读硕士研究生学位，从事于电磁超材料专业领域研究，主要研究方向是有关隐身超材料的设计。 参考文献 [1] 沈杨.基于超材料的雷达吸波材料研究进展[J].空军工程大学学报（自然科学版），2018（19）. [2] Parimi P.V.Imaging by flat lens using negative refraction[J].Nature，2003（426）. [3] Schurig D.Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies[J]. Science，2006（314）. [4] Hao J.M.Manipulating electromagnetic wave polarizations by anisotropic metamaterials[J].Phys Rev Lett，2007（99）. [5] 宋健.基于集总元件的超材料吸波器研究进展[J].材料导报A：综述篇，2017（31）. [6] 刘凌云.基于集总电阻的宽频带超材料吸波器研究[J].微波学报，2016（32）. [7] Landy N.I.Perfect metamaterial absorber[J].PhysRev Lett，2008（100）. [8] 王莹.基于集总元件的低频宽带超材料吸波体设计与实验研究[J].物理学报，2013（07）. [9] 吕世奇.一种基于集总电阻加载的小型化超宽带超材料吸波体设计[J].电子与信息学报，2019（41）. [10] ?Ding F.Ultra-broadband microwave metamaterial absorber[J].Applied Physics Letters，2012（100）. [11] ?Cheng Y.Z. A polarization-insensitive and omnidirectional broad band terahertz metamaterial absorber based on coplanar multi-squares films[J].Optics & Laser Technology，2013（48）. [12] ?Gu C.Planar metamaterial absorber based on lumped elements[J].Chinese Physics Letters，2010（27）. [13] ?Gu C.Design of a wide-band metamaterial absorber based on resistance films[J].Acta Physica Sinica，2011（60）. [14] ?Fan Y.An ultrathin wide-band planar metamaterial absorber based on a fractal frequency selective surface and resistive film[J].Chin Phys：B，2013（88）. [15] ?Zhang H.B.Frequencydispersive resistance of high impedance surface absorber with trapezoid-coupling pattern[J].Journal of Applied Physics，2012（112）. [16] ?程用志.基于集總电阻的超宽频带超材料吸波体设计[J].华中科技大学学报（自然科学版），2018（46）. [17] ?Chen X.D.Retrieval of the effective constitutive parameters of bianiso-tropic metamaterials[J].Physical Review E：Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics，2005（71）. [18] ?Liu R.Description and explanation of electromagnetic behaviors in artificial metamaterials based on effective medium theory[J].Physical Review E：Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics，2007（76）. [19] ?Ye D. Ultrawideband dispersion control of a metamaterial surface for perfectly-matchedlayer-like absorption[J].Physical Review Letters，2013（111）. |
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