双频窄带超材料吸波体的设计

第３４卷第３期　２Ｏ１４年６月　桂林电子科技大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＧｕＵｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．３　

Ｊｕｎ．２０１４　

双频窄带超材料吸波体的设计　陈　菲，曹卫平，张静媛　（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林５４１００４）　摘要：为了降低吸波体的雷达散射截面，实现完美吸波，利用超材料的电磁谐振特性，设计了一款开缝双环型结构吸波　体。得益于超材料的ＬＣ谐振，该结构在１．５９和４．０６　ＧＨｚ具有超强吸波特性，在谐振频点处，超材料吸波体的某些区域相　当于一个电磁波收集器，将能量限制在吸波体内，再转化成热能。经计算验证，该吸波体结构在１．５９、４．０６　ＧＨｚ的雷达散　射截面（ＲＣＳ）分别为～２４、一２３　ｄＢ，远低于传统金属表面结构，能实现理想吸波。　关键词：超材料吸波体；双频；窄带　中图分类号：ＴＮ９２９．５　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—８０８Ｘ（２０１４）０３—０１８Ｏ—Ｏ４　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｕａｌ　ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄｓ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔＯ　ｒｅｄｕｃｅ　ｒａｄａｒ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ（ＲＣＳ）Ｏｆ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ｒｉｎｇｓ　ｗｉｔｈ　ｓｌｏｔｓ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ．Ｓｔｒｏｎｇ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｉｓ　ａ—　ｃｈｉｅｖｅｄ　ｉｎ　１．５９　ＧＨＺ　ａｎｄ　４．０６　ＧＨＺ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＬＣ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａ１．Ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｌｏｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂ　ｅｒ　ａｒｅ　ｅｑｕａｌ　ｔＯ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｗａｖｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ａｔ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｉｎ　ｉｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｈｅａｔ．　Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈａｔ　ＲＣＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ａｔ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　１．５９　ＧＨｚ　ａｎｄ　４．０６　ＧＨｚ　ｉｓ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ一２４　ｄＢ　ａｎｄ一２３　ｄＢ，ａｎｄ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ａｂｓｏｒｂｉｎｇ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ；ｄｏｕｂｌｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ；ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ　

超材料作为一种有效的电磁媒质可用复介电常　数和负磁导率表征，即￡（　）一￡　＋运　，　（　）一　＋　以　。开始人们大多关注对超材料介电常数和磁导率　实部的研究，而对其虚部（ｓ　，　），即损耗部分的研究　极少。２００８年Ｌａｎｄｙ等ｌ＿】　提出当￡一　时，超材料结　构的输入阻抗接近自由空间波阻抗，此时能实现近乎　１００Ｙ００的理想吸波，并定义该结构为超材料完美吸波　体。超材料吸波体是近几年兴起的一种新型人工电　磁材料，以往人们对超材料主要集中在其传输特性研　究，对其损耗特性研究甚少，而超材料吸波体正是利　用电磁结构的介质损耗和欧姆损耗实现对电磁波的　收稿日期：　基金项目：　通信作者：　引文格式：　吸收＿＿２］。近几年对微波和ＴＨｚ波超材料吸波体的设　计、构造和测试的研究已经受到越来越多的关注　］，　在微波频段该结构的超薄特性可共形于飞行器表面　用于降低飞行器的雷达散射截面（ｒａｄａｒ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃ—　ｔｉｏｎ，简称ＲＣＳ），而在ＴＨｚ频段可用于光探测器、微　测热辐射计等。该类吸波体无需加载集总元件就可　实现近乎为１的吸波率，且其结构设计灵活、简单、多　变，引起了研究人员的极大兴趣。　目前有关超材料吸波体的研究主要集中在多频　带吸波　、宽带吸波　、极化不敏感　］、宽角入射　、　超薄结构设计　等。为此，设计一种具有双频点、低　

２０１４——０３—－０４　国家自然科学基金（６１３６１００５）　曹卫平（１９７１），男，湖南益阳人．教授，博士，研究方向为宽带电小天线、智能天线、微波与毫米波电路。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｐｉｎｇｃ＠ｇｕｅｔ．ｅｄｕ．Ｃｒｔ　陈菲，曹卫平，张静嫒．双频窄带超材料吸波体的设计ＥＪ］．桂林电子科技大学学报，２０１４，３４（３）：１８０—１８３．　第３期　陈　菲等：双频窄带超材料吸波体的设计　ｌ８１　剖面和低ＲＣＳ特性的开缝双环型吸波体结构。　１　理论分析及结构设计　根据材料吸波理论，记反射率为Ｒ（ｏｏ）、传输率为　Ｔ（ｃｏ），则材料的吸波率Ａ（（ｕ）为　Ａ（∞）一１一Ｒ（　）一Ｔ（ｃｏ）。　（１）　利用双端ＶＪ器件模型，设电磁波从端ＶＩ　１入射，端口　２出射，则Ｒ（ｏｏ）和Ｔ（∞）可表示为：　Ｒ（（￡，）一Ｉ　Ｓ１ｌ　Ｉ　；　（２）　丁（（ｃＪ）一ｉ　Ｓ２１　ｌ　。　（３）　当选定材料厚度为ｄ时，Ｓ。　主要取决于材料本身的　复折射率＂—　＋ｉｎ　和复阻抗Ｚ—Ｚ　＋ｉＺ。，　ｓｚ　一［ｓｉｎ（ｎｋｄ）－舌（ｚ＋　）ＣＯＳｃ　］　。　

（４）　其中：ｋ－－￣．０／Ｃ　，ｆ。为真空中的光速。复合材料与自由　空间阻抗匹配时，　Ｓ２ｌ一　：＝＝ｅ　ｉ（ｎｌ一　ｅｎｌ厂。　（５）　将式（５）代入式（３）得　Ｔ（∞）一ｅ－２ｎ？　。　（６）　当复合材料实现阻抗理想匹配和虚部折射率无穷大　时，　ｌｉｍ　Ｔ（∞）一０，　（７）　２一’０　曼　一（　）。一。。　ｃ８，　

将式（７）、（８）代人式（１）可得Ａ（御）一１，即此时材料吸　收率为ｌ。　电磁波由自由空问（阻抗为Ｚ。）入射到吸波材料　（输入阻抗为Ｚｉ）的界面上，部分电磁波被反射，部分　电磁波进入吸波材料内部。吸波材料的反射系数可　表示为：　

尺一　一　一√　。㈩　

其中：　、　为自由空间的介电常数、磁导率；￡　、　。为材　料的介电常数、磁导率。式（９）代入Ｚｎ和Ｚ化简得：　

Ｒ一　，　ｒ一，　Ｕｏ，ｅｒ一　。　。　

其中：　、￡　为材料的相对介电常数、相对磁导率。　一ｅ　时，Ｒ一０，即反射系数为０．材料阻抗和自由空间　阻抗匹配。　设计的吸波体单元结构如图１（ａ）所示，由此单　

元组成的阵列如图ｌ（ｂ）所示。介质采用介电常数为　４．４的ＦＲ４材料，厚度１．６　ｍｍ，损耗角正切值为　０．０２，介质材料上层为开缝双环形结构，下层采用完　整的金属背板。根据电磁波的传播特性，地面采用完　整的金属背板结构，透射率Ｔ一０，式（１）简化为：　Ａ一１一Ｒ一１一ｌ　ｓ。　ｌ　。　（１１）　由式（】１）可知，吸波体的输入阻抗与自由空间的波阻　抗实现理想匹配，反射系数为０，吸波体就能达到理　想吸波。实际工程中很难做到理想匹配，只要反射系　数小于某一定值即认为匹配。　

（ａ）单元结构　（ｂ）阵列局部细节　图１　吸波体单元结构和阵列局部细节　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌ　ｄｒａｗｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｒａｙ　

２仿真结果分析　采用电磁仿真软件Ａｎｓｏｆｔ　ＨＦＳＳ　２０１３对吸波　体结构进行模拟仿真，采用ｍａｓｔｅｒ／ｓｌａｖｅ边界和Ｆｌｏ—　ｑｕｅｔ端口模拟无限周期单元。经优化确定吸波体单　元的尺１‘为：Ｚｌ一３４　Ｎ１Ｉｌｌ、，２—１６　ｍｍ、ｗｌ一０．５５　ｍｍ、ｋ　Ｊ一７　ｍｎ１、Ｗ２—０．５　ｍｍ、南２—５　ｍｍ。内、外两　环开缝长度分别为５、７　ｍｍ，两环之间的间距为２　ｍｎｌ，阵列周期为３５　ｒｎＮ１。　图２为ＴＭ、ＴＥ极化波照射吸波体时吸波体单　元结构在周期边界条件下的反射系数。从图２可看　

黎　甚　厂’　・　—　国１　ｆ　７　一一．　ｆ　‘　。　～　————－—，　撼　‘藤　【工］　Ｌ－　

图２　ＴＭ、　ｒＥ极化波反射系数　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ＴＭ　ａｎｄ　ＴＥ　ｗａｖｅ　第３期　陈　菲等：双频窄带超材料吸波体的设计　１８３　ｆ／ＧＨｚ　图６　吸波体和金属表面的ＲＣＳ　

Ｆｉｇ．６　ＲＣＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ａｎｄ　ｍｅｔａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ　

３　结束语　基于超材料的电磁谐振特性，提出一种新型吸波　体结构，该结构具有双频、窄带超强吸波特点。吸波　体的阻抗和自由空间波阻抗匹配时，吸波体的某些区　域相当于一个电磁波收集器，该区域的能量分布远远　强于其他区域，电磁波被限制在吸波体中，最后转化　成热能耗散掉，从而实现理想吸波。　

参考文献：　［１］Ｌａｎｄｙ　Ｎ　Ｉ，Ｓａｊｏｙｉｇｂｅ　Ｓ，Ｍｏｃｋ　Ｊ　Ｊ，ｅｔ　ａＩ．Ｐｅｒｆｅｃｔ　ｍｅｔａ１３２ａ—　

Ｅｅｌ　ｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ￣Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００８，１００：　２０７４０２．　Ｉ．ｅｅ　Ｍｉｎｈｏｎｇ，Ｉ．ｅｅ　Ｈｙｕｎｇｓｕｐ．Ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｍｏｄｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｌｕｍｐｅｄ——ｒｅｓｉｓｔｏｒ—．１ｏａｄｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ—．ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ—．ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡＩＰ　Ａｄ—　ｖａｎｅｅｓ．２０１３．３（５）：Ｏ５２１１　７．　

Ｉ－３］　［４］　［５］　［６］　［７］　［８］　

Ｃｏｓｔａ　Ｆ，Ｍｏｎｏｒｃｈｉｏ　Ａ，Ｍａｎａｒａ　Ｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ　ｔｈｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｂｓｏｒｂｅｒｓ　ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ　ｒｅｓｉｓ　ｔｉｖｅｌｙ　ｌｏａｄｅｄ　ｈｉｇｈ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓＩ－Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ～　ａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２０１０，５８（５）：１５５１～　１５５８．　Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａ　Ｓ，Ｇｈｏｓｈ　Ｓ，Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ　Ｋ　Ｖ．Ｔｒｉｐｌｅ　ｂａｎｄ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ａｔ　ｘ—ｂａｎｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐ～　ｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１３，１１４（９）：０９４５１４．　Ｃｈｅｎｇ　Ｙｏｎｇｚｈｉ，Ｎｉｅ　Ｙａｎ，Ｇｏｎｇ　Ｒｏｎｇｚｈｏｕ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｗｉｄｅ—ｂａｎｄ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｈ　ａｃｔａｌ　ｆｒｅ～　ｑｕｅｎｃｙ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａ　Ｓｃｒｉｐｔａ，２０１３，８８（４）：０４５７０３．　Ｃｈｅｎｇ　Ｙｏｎｇｚｈｉ，Ｙａｎｇ　Ｈｅｌｉｎ，Ｃｈｅｎｇ　Ｚｈｅｎｇｚｅ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｐｌａｎａｒ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ—ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　［Ｊ］．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ—Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａ１ｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１１，９（１）：８－１４．　Ｌｕｕｋｋｏｎｅｎ　０，Ｃｏｓｔａ　Ｆ，Ｓｉｍｏｖｓｋｉ　Ｃ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｔｈｉｎ　ｅｌｅｃ～　ｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　ｆｏｒ　ｗｉｄｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ　ａｎｇｌｅｓ　ａｎｄ　ｂｏｔｈ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ＡｎｔｅｎｎａＳ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，２００９，５７（１０）：３１１９　３１２５．　Ｈｕａｎｇ　Ｘｉａｏｊｕｎ，Ｙａｎｇ　Ｈｅｉｌｉｎ，Ｙｕ　Ｓｈｅｎｇｑｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｔｒｉ～　ｐｉｅ——ｂａｎｄ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｗｉｄｅ—．ａｎｇｌｅ　ｕｌｔｒａ　ｔｈｉｎ　ｐｌａｎａｒ　ｓｐｉｒａｌ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ　ａｂｓｏｒｂｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐ～　ｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１３，１１３（２１）：２１３５ｌ６．