同心結(jié)構(gòu)寬帶超材料吸波體設(shè)計(jì)及可調(diào)性研究

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1、同心結(jié)構(gòu)寬帶超材料吸波體設(shè)計(jì)及可調(diào)性研究　　摘要設(shè)計(jì)了一種新的基于同心開口八邊形的寬帶超材料吸波體。采用時域有限元積分的方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明吸收率大于90%的頻段為65.1GHz～68.8GHz，其寬帶吸收特性具有明顯的偏振相關(guān)性和尺寸依賴性；通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫加載變?nèi)荻O管，改變變?nèi)荻O管的電容值能有效的調(diào)節(jié)其吸收頻帶，并通過等效電路對原因進(jìn)行了分析。該吸波體結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值?！　￡P(guān)鍵詞同心結(jié)構(gòu)；寬帶；超材料吸波體；可調(diào)性　　中圖

2、分類號TB34文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1674-6708（2016）170-0091-02　　超材料吸波體是一種結(jié)構(gòu)型吸波體，由周期性吸收單元組成吸波陣列，每個吸波單元一般是三明治結(jié)構(gòu)：頂層的金屬圖案、中間層的介質(zhì)基板以及底層的金屬板。Landy于2008年第一次提出了基于單個電環(huán)諧振器與短導(dǎo)線相加而成的超材料的吸波體，金屬結(jié)構(gòu)的諧振會讓超材料吸波體中的局域場快速增強(qiáng)，在到了阻抗匹配的時候，含有損耗的電介質(zhì)會讓電磁波發(fā)生強(qiáng)損耗的吸收。以后，超材料吸波體的設(shè)計(jì)從微波波段進(jìn)一步拓展到太赫茲頻段以及紅外波段和光波段

3、，從單頻帶吸收擴(kuò)展到雙頻帶和三頻帶還有寬帶以及可調(diào)吸收。對于人工結(jié)構(gòu)的超材料吸波體成功的突破了Terahertz“禁帶”5，為超材料吸波體在醫(yī)學(xué)、生物、軍事以及熱成像儀等領(lǐng)域和設(shè)備上的應(yīng)用提供了廣闊的前景。　　超材料吸波體的吸波機(jī)理是基于電磁波的電磁諧振，當(dāng)入射進(jìn)入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結(jié)構(gòu)的諧振頻率時，吸波體的等效阻抗與自由空間的阻抗實(shí)現(xiàn)匹配，電磁波的反射將減少，電磁能量通過導(dǎo)體和介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)損耗，實(shí)現(xiàn)對電磁波的吸收。雖然上述超材料吸波體具有良好的吸波性能，但其工作頻率一般是窄帶的并且是固定的，這

4、極大限制了超材料吸波體在復(fù)雜電磁環(huán)境中的實(shí)際使用。本文設(shè)計(jì)了一種新的基于同心開口八邊形的寬帶超材料吸波體，采用時域有限元積分的方法對結(jié)構(gòu)單元的電磁特性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明吸收率大于90%的頻段為65.1GHz～68.8GHz；通過在結(jié)構(gòu)單元的開口縫加載變?nèi)荻O管，改變變?nèi)荻O管的電容值能有效調(diào)節(jié)吸收頻帶。該吸波體結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，在電磁隱身、電磁兼容等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值?！　?模型設(shè)計(jì)　　采用商業(yè)三維電磁的仿真軟件MicrowavestudioCST對模型按上面所說參數(shù)進(jìn)行建模，仿真過程中使用波導(dǎo)

5、端口激勵，周期邊界條件設(shè)置為x，y方向，其中x方向?yàn)橥昝来胚吔纾≒MC），y方向?yàn)橥昝离娺吔纾≒EC），z方向設(shè)置為激勵入射端口，采用時域求解器對結(jié)構(gòu)單元的電磁參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。　　2結(jié)果分析與討論5　　超材料吸波體的吸波機(jī)理是基于電磁波的電磁諧振，當(dāng)入射進(jìn)入超材料吸波單元的電磁波處于金屬結(jié)構(gòu)的諧振頻率時，吸波體的等效阻抗與自由空間的阻抗實(shí)現(xiàn)匹配，電磁波的反射將減少，電磁能量通過導(dǎo)體和介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)損耗，實(shí)現(xiàn)對電磁波的吸收。根據(jù)測得的S參數(shù)，采用S參數(shù)反演法計(jì)算了寬帶超材料吸波體的歸一化阻抗實(shí)部所示，歸一化阻抗實(shí)

6、部在65.1GHz～68.8GHz接近于1，表明寬帶超材料吸波體與自由空間達(dá)到了良好的阻抗匹配，吸收率較高?！　榉治鼋Y(jié)構(gòu)單元的電磁波偏振相關(guān)性，將y軸方向設(shè)置成為完美磁壁，x軸方向設(shè)置成完美電壁。計(jì)算的結(jié)構(gòu)單元的吸收率曲線可以看出來，改變仿真條件以后，結(jié)構(gòu)單元的吸收特性發(fā)生了非常明顯改變，說明結(jié)構(gòu)單元的吸收特性是電磁波偏振相關(guān)的?！　〕牧衔w的結(jié)構(gòu)尺寸對本身吸收特性有著重要的影響，為了分析寬帶超材料吸波體的結(jié)構(gòu)尺寸對其吸收特性的影響，計(jì)算了每級同心開口八邊形金屬銅的c增加量w在不同情況下結(jié)構(gòu)單元的吸

7、收率，結(jié)果圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)w從0.4mm到0.5mm逐漸增加時，結(jié)構(gòu)單元吸收率90%以上的帶寬逐漸減少；當(dāng)w從0.4mm到0.3mm逐漸減少時，結(jié)構(gòu)單元吸收率90%以上的帶寬逐漸往低頻發(fā)生移動，帶寬逐漸減少。結(jié)構(gòu)單元在不同線寬e下的吸收率如圖3所示，從圖3可以看出，當(dāng)e從0.2mm到0.1mm逐漸減少時，結(jié)構(gòu)單元吸收率90%以上的帶寬逐漸往高頻發(fā)生移動，帶寬逐漸減少。5　　為分析寬帶超材料吸波體結(jié)構(gòu)單元的吸收頻帶可調(diào)性，在結(jié)構(gòu)單元的中間開口縫處加載變?nèi)荻O管，仿真過程中通過加載介電常數(shù)可變的介

8、質(zhì)來模擬變?nèi)荻O管，其中介質(zhì)的寬度為2.1mm，高度為0.3mm，厚度為0.05mm，當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)增加時，變?nèi)荻O管的電容值增加，介電常數(shù)減小時，變?nèi)荻O管的電容值減小。對介質(zhì)在不同介電常數(shù)下結(jié)構(gòu)單元的吸收率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果，隨著介電常數(shù)的增加，吸收率90%以上的帶寬逐漸往低頻發(fā)生移動，帶寬逐漸減少?！　⊥ㄟ^在結(jié)構(gòu)單元的開口縫處加載變?nèi)荻O管能有效的調(diào)節(jié)其吸收頻帶可以通過其等效電路解釋。結(jié)構(gòu)單元的等效電路如圖4所示，微波信號