超材料吸波体设计及其雷达散射截面分析

刘 涛 曹祥玉 高 军 郑秋容 杨欢欢

（空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077）

引 言

自从2008年Landy等人发表了题为“Perfect Metamaterial Absorber”［1］的文章后，基于超材料（metamaterial）的吸波体就引起了研究人员极大的兴趣，新的吸波体不断被提出，其电磁特性也不断得到改进，如改善入射角稳定性［2-5］、极化稳定性［5-7］、增加吸波频带（双带／多带）［8-11］和扩展吸波带宽［12-16］。与文献［17］-［19］提出的基于超材料的吸波体相比，此类新型吸波体最大的优势就是不需要加载集总电阻作为损耗层就可实现几乎100%的吸波率，且结构更为简单。它的工作机理就是通过优化设计metamaterial结构，调控metamaterial结构单元的磁谐振和电谐振，使ε（ω）=μ（ω），实现吸波体和自由空间的阻抗匹配，降低入射电磁波反射率，利用结构单元的欧姆损耗和介质损耗实现对电磁波的强烈吸收。

吸波材料最显著的应用方向就是目标隐身，但已有研究文献都仅分析了此类新型吸波体的吸波特性，却没有具体分析吸波体的RCS特性。针对此问题，本文提出了一种结构简单、极化不敏感和宽入射角的超薄超材料吸波体，重点分析了不同极化平面波照射下其RCS特性。

1 吸波体结构

超材料吸波体单元如图1，上层金属结构是刻蚀交叉缝隙的贴片电谐振结构，缝隙倾斜角为45°和135°，由于结构的对称性，使得对于任意极化方向的入射波都可产生谐振。下层金属不做刻蚀，保留为完整的地平面，中间的介质为FR4，介电常数4.4，电损耗角正切0.02，介质厚度t=0.5mm.其他结构参数如图1所示，周期p=9mm，方形贴片宽度w1=8mm，缝隙长l=7.5mm，缝隙宽w2=1.6mm.

图1 超材料吸波体单元

2 仿真分析

2.1 吸波特性

定义反射率R=｜S11｜2，透射率T=｜S21｜2，则吸波率A=1-｜S11｜2-｜S21｜2=1-R-T，S11为反射系数，S21为传输系数。由于图1中材料的底层为金属板，故没有透射，即｜S21｜2=0，则A=1-｜S21｜2=1-R.仿真软件采用基于有限元方法的HFSS12.0，模型采用主／从边界和弗洛盖端口来模拟无限周期单元。TE和TM极化的入射波随入射角变化对吸波性能的影响如图2（a）和（b）所示，可以看到，在不同极化波入射且入射角增大到60度情况下，吸波率保持在85%以上，最大达到了99.1%，虽然吸波率有所变化，但最大吸波频点5.58GHz位置变化很小，表现了良好的极化稳定性和入射角稳定性。相比TE极化波，TM极化波具有更好的入射角稳定性。垂直入射时吸波率在50%以上的带宽有220MHz（5.46～5.68GHz）。整个结构厚度只有约0.01λ，λ为5.58GHz的波长。

为了较好地理解该结构的吸波机理，我们分析了该结构的相对等效阻抗z和折射系数n.相对等效阻抗z可由下式得到［20］

折射系数n为

式中:k为波数；t为吸波体厚度。由式（1）得到电磁波垂直入射条件下吸波体相对等效阻抗的实部和虚部曲线，如图3所示，可以看到，在最大吸波率频点5.58GHz时，吸波体相对等效阻抗的实部近乎为1，而虚部接近为0，表明该吸波体和自由空间有非常好的阻抗匹配，良好的阻抗匹配保证了在自由空间和吸波体界面处入射波反射很小。而由于S21=0，所以可以确定入射波被吸波体吸收，同时也表明吸波体折射系数的虚部非常大。同样因为S21=0，吸波体的等效折射系数n并不能通过式（2）直接计算求得，但折射系数与散射参数之间满足下式［21］

设n（ω）=n1+in2，则式（3）可进一步表示为

从式（4）可知，为了使右边为0，折射率n的虚部n2应当非常大，这就保证了电磁波在吸波体中传输时被最大程度地吸收。

图3 相对等效阻抗的实部和虚部

2.2 雷达散射截面特性

为了分析吸波体的RCS减缩特性，我们利用吸波体单元组成了一个10×10的平面阵，用平面波照射，仿真得到了其水平极化和垂直极化情况的单站RCS，并与同样大小金属板的单站RCS进行了比较。单站RCS比较结果如图4、5所示，图6给出了5.58GHz垂直入射时金属板和吸波体平板的空间电场分布。

图4为不同频率下垂直入射时水平极化和垂直极化RCS的比较。可以看到，两种极化时RCS减缩效果差别不大，这也验证了该吸波体具有良好的极化稳定性。在5.46～5.68GHz频段内吸波体平板相比金属平板RCS减缩特别明显，水平极化时最大减缩20.83dB，垂直极化时最大减缩18.44dB.

图5为5.58GHz不同角度入射时水平极化和垂直极化的RCS比较。可以看到，两种情况的RCS减缩效果也差别不大，进一步验证了吸波体具有好的极化稳定性。在-60°～+60°范围的角度上，吸波体的水平极化和垂直极化RCS基本都小于金属板的RCS，尤其在-10°～+10°的法向方向吸波体的RCS减缩最大，分别达到20.7dB和18.9dB，与图4的RCS减缩值基本吻合，这也验证了吸波体具有宽的入射角。

由图6可看到:吸波体平板的空间散射电场明显小于金属平板的散射电场，表明了吸波体具有良好的RCS减缩效果。

3 加工样品及测试结果

为了验证仿真结果的正确性，我们使用普通的印制电路板技术加工了2×4个单元的吸波体实物验证单元的吸波性能，如图7.由于加工单位材料所限，介质的属性与之前的仿真略有不同，介电常数改为4.1，损耗角正切为0.02.由于2×4个吸波体单元相对测试喇叭的口径太小，为了保证测试精度，较为清晰地观察吸波体的吸波性能，采用了波导法进行测量［22］，即将与波导端口等大的材料置于波导端口上，并用螺丝固定，测量此时的S11，再根据吸波率的定义即可求出吸波率。馈电波导采用C波段的标准波导（国标型号:WJB-58），宽边a=40.4mm，窄边b=20.2mm，矢量网络分析仪为Agilent N5230C.

图7 波导法实验配置

图8所示为测量结果与重新仿真的结果（介质属性改为与实际加工的一致，并且仿真设置也与测量方法一致）对比，可以看出，测试结果与仿真结果吻合得非常好，表明交叉缝隙吸波体确实有良好的吸波效果，在5.75GHz时实测吸波率达到了98.8%.吸波率在50%以上的带宽有220MHz（5.64～5.86GHz）。与最初仿真结果比较可以看到，介电常数的减小使得吸波体最大吸波频点向高频偏移了200MHz左右。

图8 波导法测试与仿真结果比较

我们也测试了吸波体平面阵的吸波性能。为了减小测试误差，吸波体平面阵实物和仿真模型大小略有不同，它由20×20个吸波体单元组成，如图9（a）所示。由于实验条件所限，只能通过单个宽带单脊波导喇叭（1～18GHz）垂直照射吸波体面阵得到的反射系数曲线观察吸波体对入射电磁波的吸收情况。为了保证实验的准确，吸波体平面阵和天线之间的距离大于D2／λ以避免近场效应，这里D为吸波体平面阵的最大横向尺寸。把吸波体平面阵放置在距离喇叭天线约0.6m处，图9（b）为实验配置示意图，最终得到的喇叭天线反射系数曲线如图10所示，可以看到:相比金属板，在5.8GHz左右频带内，喇叭天线照射吸波体平面阵的反射系数明显要小，进一步证实了吸波体对入射电磁波有良好的吸收效果。与波导法测试单元吸波性能相比，反射系数曲线受环境影响比较大，使得曲线不够平滑。

4 结 论

基于超材料电磁谐振特性的“完美吸波体”是一类新型的吸波材料。本文设计了一种此类吸波体，相比已有吸波材料，它具有高吸波率、极化稳定、宽入射角和超薄的特点，吸波率可达到99.1%，整个结构厚度只有约0.01λ，且加工简单。通过对其RCS的详细分析，实验与仿真结果均表明该吸波体具有良好的RCS减缩效果，这有助于认识此类新型吸波材料在电磁隐身领域的应用潜力与优势。

［1］LANDY N I，SAJUYIGBE S，MOCK J J，et al.A perfect metamaterial absorber［J］.Phys Rev Lett，2008，100:207402.

［2］HU T，BINGHAM C M，STRIKWERDA A C，et al.Highly-flexible wide angle of incidence terahertz metamaterial absorber［J］.Phys Rev B，2008，78:241103.

［3］DIEM M，KOSCHNY T，SOUKOULIS C M.Wideangle perfect absorber／thermal emitter in the THz regime［J］.Phys Rev B，2009，79:033101.

［4］LUUKKONEN O，COSTA F，MONORCHIO A，et al.A thin electromagnetic absorber for wide incidence angles and both polarizations［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57（10）:3119-3125.

［5］ZHU B，WANG Z，HUANG C，et al.Polarization insensitive metamaterial absorber with wide incident angle［J］.Progress in Electromagnetics Research，2010，10（1）:231-239.

［6］LANDY N I，BINGHAM C M，TYLER T，et al.Design，theory，and measurement of a polarization insensitive absorber for terahertz imaging［J］.Phys Rev B，2009，79:125104.

［7］SHCHEGOLKOV D YU，AZAD A K，O’HARA J F，et al.Perfect sub-wavelength metamaterial fishnet-like film absorbers for THz applications［C］∥International Conference on Infrared，Millimeter，and Terahertz Waves.Busan，2009:21-25.

［8］WEN Qiye，ZHANG Huaiwu，XIE Yunsong，et al.Dual band terahertz metamaterial absorber:Design，fabrication，and characterization［J］.Appl Phys Lett，2009，95:241111.

［9］HU T，BINGHAM C M，PILON D，et al.A dual band terahertz metamaterial absorber［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，2010，43:225102.

［10］LI M H，YANG H L，HOU X W，et al.Perfect metamaterial absorber with dual bands［J］.Progress in Electromagnetics Research，2010，108:37-49.

［11］LI Hui，YUAN Lihua，ZHOU Bin，et al.Ultrathin multiband gigahertz metamaterial absorbers［J］.Journal of Applied Physics，2011，110（1）:014909.

［12］QIAN Yeyu，JIN Yi，HE Sailing.Omnidirectional，polarization-insensitive and broadband thin absorber in the terahertz regime［J］.Opt Soc Am B，2010，27（3）:498-504.

［13］LUO Hao，WANG Tao，GONG Rongzhou，et al.Extending the bandwidth of electric ring resonator metamaterial absorber［J］.Chin Phys Lett，2011，28（3）:4204-4207.

［14］LEE J，LIM S.Bandwidth-enhanced and polarisation-insensitive metamaterial absorber using double resonance［J］.Electron Lett，2011，47（1）:8-9.

［15］GU S，BARRETT J P，HAND T H，et al.A broadband low-reflection metamaterial absorber［J］.Journal of Applied Physics，2010，108（6）:4913-4921.

［16］保 石，罗春荣，张燕萍，等.基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器［J］.物理学报，2010，59（5）:3187-3191.BAO Shi，LUO Chunrong，ZHANG Yanping，et al.Broadband metamaterial absorber based on dendritic structure.Acta Physica Sinica，2010，59（5）:3187-3191.（in Chinese）

［17］LI Youquan，FU Yunqi，YUAN Naichang.Characteristics estimation for high impedance surfaces based ultra-thin radar absorber［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2009，51（7）:1175-1178.

［18］顾 超，屈绍波，裴志斌，等.基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸波体的设计［J］.物理学报，2011，60（8）:087801.GU Chao，QU Shaobo，PEI Zhibin，et al.Design of a wide-band metamaterial absorber based on loaded magnetic resonators［J］.Acta Physica Sinica，2011，60（8）:087801.（in Chinese）

［19］李有权，张光甫，袁乃昌.基于AMC的吸波材料及其在微带天线中的应用［J］.电波科学学报，2010，25（2）:353-357.LI Youquan，ZHANG Guangfu，YUAN Naichang.Ultra-thin absorber based on the AMC structure and its appl ication to the microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（2）:353-357.（in Chinese）

［20］SMITH D R.Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials［J］.Phys Rev E，2005，71:036617.

［21］CHEN X D，GRZEGORCZYK T M，WU B I，et al.Robust method to retrieve the constitutive effective parameters of metamaterials［J］.Phys Rev E，2004，70:016608.

［22］杨 阳，李 龙，梁昌洪.双频超薄超材料吸波体［C］∥全国天线年会，南京，2011:812-815.YANG Yang，LI Long，LIANG Changhong.Dualband ultra-thin metamaterial absorber［C］∥Antenna Annual Conference of China，Nanjing，2011:812-815.（in Chinese）