一种基于超材料的极化无关超宽带吸波器

杨曙辉 陈迎潮 王文松,3 康劲 贺学忠

(1.北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101;2.南卡罗莱纳大学电气工程系, 哥伦比亚 美国 SC29208;3.南京航空航天大学电子信息工程学院,南京 210016; 4.北卡罗莱纳大学格林斯堡分校文理学院,格林斯堡 美国 NC27412)



一种基于超材料的极化无关超宽带吸波器

杨曙辉1,2陈迎潮2王文松2,3康劲1贺学忠4

(1.北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101;2.南卡罗莱纳大学电气工程系, 哥伦比亚 美国 SC29208;3.南京航空航天大学电子信息工程学院,南京 210016; 4.北卡罗莱纳大学格林斯堡分校文理学院,格林斯堡 美国 NC27412)

提出了一种新的基于氮化钽金属膜和多孔泡沫介质的具有超宽带吸收特性的超材料吸波器.吸收率大于80%的频段为15.5～47.2 GHz(在18.3 GHz,达到最大吸收率99.89%),相对带宽约为101%,完全覆盖了K波段、Ka波段,部分覆盖了U波段.对于斜入射的横电波、横磁波具有较宽角度的吸波性能.由于吸波单元的金属图案设计为5个同心圆环结构,具有全向旋转对称性,因而是极化无关的.该吸波器结构简单.容易制作,在电磁隐身、电磁兼容等领域具有重要应用价值.

超材料吸波器;超宽带;极化无关;电磁谐振

引 言

超材料(又称为异向介质[1-2])吸波器是一种结构型吸波体,由周期性吸波单元形成吸波阵列,每个吸波单元一般为“三明治”结构:顶层的金属图案、中间层的介质基板以及底层的金属短线或接地板. 基于超材料的完美吸波器由Landy[3]于2008年首先提出,与传统的材料型吸波体相比,具有体积小、重量轻、价格便宜等优点,可广泛用于解决电磁干扰、电磁兼容以及减少目标体的雷达散射截面等问题,近年来得到快速发展. 目前已报道的超材料吸波器工作频段包括声学频域[4]、微波频域[5-9]、太赫兹[10-11]、红外及光频域[12-15]等.

超材料吸波器的吸波机理是基于波的电磁谐振,当入射进入超材料吸波单元的电磁波处于金属结构的谐振频率时,吸波器的等效阻抗将与自由空间的波阻抗实现匹配,此时电磁波的反射将减少,电磁能量通过导体和介质产生强损耗,实现对电磁波的吸收[16].基于谐振吸波的原理使得超材料吸波器的结构比较简单,但也导致其工作频段一般是窄带的,限制了其应用.近年来研究人员不断探索构造双频[9]、三频[16]及宽带[17-21]吸波器.文献[17]采用磁性吸波材料与三个同心金属方环相复合的方法,实现了基本覆盖X波段和Ku波段的宽带吸收特性.文献[18]基于正方形金属贴片与电阻型频率选择表面的复合结构,实现了3～25 GHz的宽带吸收. Chen[19]设计了一种基于集总电阻的低频宽带吸波器,不足之处是吸波器体积增大,并且集总电阻存在的固有误差将影响各吸波单元的一致性设计.此外,还有学者采用喷涂技术构造电阻膜,形成频率选择表面实现宽带吸波[20].由于喷墨工艺的局限性,图案的设计精度将受限,而且通过控制喷墨厚度来确定电阻膜方块电阻值也存在一定误差[21].

本文以多孔泡沫为介质基板,介质上层采用氮化钽金属膜,构造5个同心圆环图案,介质下层以金属铜作为接地板,设计出一种15.5～47.2 GHz超宽频带吸波器,相对带宽约为101%,完全覆盖了K波段、Ka波段,部分覆盖了U波段．并且,由于吸波单元的圆环结构具有各向的旋转对称性,吸波是极化无关的.此外,结合微带线理论给出了该吸波单元的集总元件等效电路,采用ADS软件进行微波信号源激励的电路级仿真,其吸收率结果与用HFSS软件进行的全波分析结果基本相符.通过改变等效电路中集总元件值即可改变吸波性能,便于指导设计所需频段的超材料吸波器的物理结构.

1 结构设计

根据文献[21]可知,当电磁波垂直入射超材料结构的吸波单元时,电磁能量的吸收主要是通过金属损耗和介质损耗实现的.对于介质上层的金属图案而言,吸收出现在等效电感、等效电容谐振时,此时消耗电磁能量的是金属电阻.因此,为了提高吸波能力,拓展吸波频带,本文提出了一种介质上层采用氮化钽金属膜的方法,有效提高金属电阻.氮化钽的相对介电常数εr=1,相对磁导率μr=1,电导率σ=7 400 S/m.为了实现宽带吸波以及极化无关,金属图案设计为5个同心圆环,吸波单元的整体结构如图1所示.介质层采用多孔泡沫,其相对介电常数εr=1.05,相对磁导率μr=1,损耗角正切为0.005.为了减少透射,介质底层设计为金属铜的接地板.优化后的结构参数尺寸如下:氮化钽金属膜厚度为 0.02 mm,5个同心圆环的宽度统一为w=0.18mm,圆环间缝隙宽度g=0.1 mm,最小圆环的半径为1.005 mm;介质层厚度h=1.4 mm,正方形介质基板边长a=4.6 mm;介质底层接地板金属铜的厚度为0.02 mm.

图1 基于超材料的超宽带吸波器单元结构

2 仿真实验与分析

利用基于有限元法的高频电磁软件HFSS14.0对超材料吸波器进行全波仿真,单元结构的上下端口采用Floquet端口模式,四周设置为周期性主从边界条件.基于Floquet模式进行场求解,能有效仿真电磁波以某种极化方式斜入射进入二维周期性结构,求解后的传输系数和反射系数能以S参数形式显示.再利用S参数求出吸波器的反射率(R),透射率(T)和吸收率[17]:A=1-R-T=1-|S11|2-|S21|2.图2所示为电磁波垂直入射吸波单元时的反射率、透射率和吸收率曲线.

图2 垂直入射时的反射率、透射率和吸收率

从图2可以看出,由于介质底层采用了接地板,透射率在全频带几乎为0,吸收率达到80%以上的频段为15.5～47.2 GHz.当入射波频率为18.3 GHz时,达到最大吸收率99.89%,中心频率为31.35 GHz,相对带宽约为101%,实现了超宽带吸波,工作频带完全覆盖了K波段、Ka波段以及部分覆盖了U波段.

宽带吸波的基本原理在于介质上层采用了多个金属圆环图案,半径小的圆环对入射的高频段电磁波产生LC谐振,半径大的圆环对低频段电磁波谐振.图3所示为单大环、单小环及二环组合结构吸波单元的吸收率曲线.从图中可以看出组合结构的吸收率是各单环结构吸收率的叠加,因而拓展了工作频带.

图3 单大环、单小环及二环组合结构吸波单元的吸收率

为了更好地研究本文提出的超宽带吸波器工作机理,以下将从电路的角度进行分析.在电磁波垂直入射的情况下,图1所示的超材料吸波单元可以看作是一个单端口的电路网络,结合微带线理论给出如图4所示的集总元件等效电路.

图4 吸波单元集总元件等效电路

微波信号从电路网络的左端输入,代表电磁波从吸波单元的介质上层金属圆环面垂直入射,5个半径不同的金属圆环(为表达方便,按半径从大到小依次编号为圆环1、圆环2、…、圆环5)与介质和接地板复合形成 5 组电阻、电感、电容串联电路,然后并联在一起.其中的电阻Ri(i=1,2,…,5)对应5组圆环金属的等效电阻;电感Li(i=1,2,…,5)对应圆环的等效电感;电容Ci(i=1,2,…,5)对应圆环与接地板之间的等效电容.

根据文献[22],各圆环的等效电阻可通过下式进行计算

(1)

式中: σ为氮化钽的导电率; w为各金属圆环的宽度; t为金属层厚度(各金属环宽度、厚度都分别相等); li(i=1,2,…,5)代表5组圆环周长.

因氮化钽金属层非常薄,可忽略金属边缘的电容效应,仅需考虑金属圆环与接地板之间形成的等效电容(看作平板电容),计算表达式为[23]

(2)

式中: ε0为自由空间的介电常数; εr为金属板间介质的相对介电常数;s为圆环的面积;h为介质的厚度.利用公式(2)可分别计算出5组圆环的等效电容C1,C2,…,C5. 此外,根据每个金属环的谐振频率公式

(3)

分别计算出5组圆环的等效电感L1,L2,…,L5.

图4中的互感Lij、互容Cij(i,j=1,2,…,5)代表各金属圆环间的等效互感、互容.其中,忽略了间隔2环及以上环路间的互感、互容效应.根据文献[23]针对平行微带线间互感、互容的计算方法,本文中的互感、互容可近似为:

(4)

(5)

对于介质层可用介电常数εd、磁导率μd和导电率σd表征.对于复数介电常数εd,包含有实部和虚部分量,有εd=εd1-jεd2,根据文献[24],介质损耗角正切与复数介电常数、导电率的关系为

(6)

式中,ω代表经过介质传播的电磁波角频率.介质的特性阻抗ηd可通过下式计算[24]

(7)

式中:μd=μ0μr,εd1=ε0εr. 本文设计吸波器所选介质的εd2=0,tanδd=0.005,于是介质的等效电阻和等效电感可通过下式计算[24]:

Rd=Re(ηd);

(8)

Ld=Im(ηd)/(jω).

(9)

通过式(1)～(9)计算出图4电路中各集总元件值,再利用ADS软件进行电路级仿真,电路的端口处以扫频形式输入1～60GHz微波信号,仿真得到相应的S参数,并计算出吸收率,如图5所示.

作为对比同时给出利用HFSS电磁仿真得到的吸收率,从图5可以看出二者曲线趋势基本相符.误差主要来源于利用式(4)、(5)计算两个同心环间的互感、互容时,其周长不相等,取小环的周长来近似计算.

图5 利用等效电路仿真得到的吸收率

在垂直入射的基础上,进一步研究超材料吸波器对斜入射电磁波的吸收情况.针对TE波和TM波设置不同的斜入射角,得到的吸收率曲线如图6所示(插图中定义斜入射角θ为入射电磁波波矢与吸波器入射面法线的夹角).

对于TE波,当斜入射角从 0° 逐渐增加到50°时,在工作频段内,吸收率逐渐下降,但还能保持在80%以上,低频段保持平坦,高频段出现吸收振荡;当斜入射角大于60°时,工作频段内的吸收率开始低于80%,并且高频段吸收振荡加剧.对于TM波,斜入射角对吸收率的影响总体趋势与TE波相似,但更严重一些.当斜入射角大于50°时,吸收率高频段振荡更剧烈,低频段吸收率低于80%,并且吸收率下降速度超过TE波.此外,可以看出当斜入射角增大的过程中,TE波、TM波吸收率都出现蓝移现象,且TM波的蓝移速度更快.

超材料吸波器对垂直入射但具有不同极化角电磁波的吸收情况如图7所示(其中插图定义极化角φ为电场E与+x轴夹角).从图7可以看出针对不同的极化角,吸收率曲线完全重合,原因在于所设计的金属同心圆环组具有全向旋转对称性(为简洁起见这里仅给出 TE 波吸收率曲线,对TM波的吸收结果类似),吸波时具有极化无关特性.

图6 不同斜入射角时的吸收率

图7 具有不同极化角时的吸收率

超材料吸波器的性能不仅与金属图案有关,还与介质特性及其厚度有很大关系.本文采用的介质为多孔泡沫,图8(a)为介质厚度为不同值时的吸收率曲线.可以看出介质厚度对吸收率影响比较明显,当厚度低于0.8 mm或高于2.4 mm时,工作频带内的吸收率将低于80%;厚度为1.2～2.0 mm,吸收率性能良好.图8(b)为介质不同厚度对利用S参数反演法[25]得到的归一化阻抗实部的影响.当厚度低于0.8 mm或高于2.4 mm时,归一化阻抗的实部远离1,表明吸波器与自由空间波阻抗的阻抗匹配变差,反射增强,吸收率降低;当厚度为1.2～2.0 mm时,归一化阻抗的实部接近于1,表明达到较好的阻抗匹配,提高了吸收率.

图8 介质厚度对吸收率及阻抗实部的影响

为了研究超材料吸波器的宽带谐振吸波特性,图9和图10分别给出了吸波器在四个谐振频率处上层圆环的面电流分布和接地板金属内侧表面的功率损耗密度分布.仿真以TE波为例,电场平行于y轴(图中上下方向).图9(a)为吸波单元在较低频率17.7 GHz的面电流分布,面电流主要集中于y轴方向半径最大圆环内侧部分,表明此时的谐振频率主要与最大圆环有关,而半径小的圆环以及和电场垂直的x轴方向的大圆环上的面电流分布少.图9(b)为吸波单元在23.0 GHz的面电流分布,主要集中于y轴方向第二大圆环的内侧.图9(c)为吸波器在31.7 GHz的面电流分布,主要集中于y轴方向的5个圆环的内侧,说明这个谐振频率与5个圆环有关.图9(d)为吸波器在47.2 GHz面电流分布,主要集中于两个最小环的内侧,说明高频谐振频率主要与半径小的圆环有关.由此可见,不同尺寸的圆环在不同频率产生谐振,多个谐振频率叠加实现超宽带吸波.

超材料吸波器在接地板上的功率损耗密度分布与其电流分布形式类似,为简洁起见,图10中仅给出金属铜接地板在四个谐振频率处的功率损耗密度分布.图中的圆环虚线用于标明对应的上层圆环的位置. 可见,接地板内侧产生功率损耗最强的区域与图9中圆环面电流分布最集中的位置相对应.当谐振频率低时功率损耗集中在接地板y轴方向的上下两部分,在接地板的中间及x轴方向的功率损耗密度分布少.当谐振频率逐步升高时,损耗逐步集中于接地板的中间圆面部分,四周损耗减少(包括y轴方向的上下两部分),特别是远离中间圆面四个角的功率损耗密度分布最小.

图9 在4个谐振频率处上层圆环图案中的电流分布

图10 在4个谐振频率处接地板内表面功率损耗密度分布

3 结 论

本文采用5个同心氮化钽圆环,以泡沫为基板,金属铜为接地板,设计了一种具有超宽带吸收特性且极化无关的新型超材料吸波器.该吸波器在15.5～47.2 GHz频段的吸收率均大于80%,完全覆盖了K波段、Ka波段,部分覆盖了U波段,该吸波器对斜入射的TE波、TM波有较宽角度的吸波特性.利用微带线理论,给出了超材料吸波单元的集总元件等效电路及元件参数计算方法,比较了电路级仿真及电磁仿真得到的吸收率曲线,二者基本相符.通过改变等效电路中集总元件值即可改变吸波性能,便于今后指导设计所需要频段的超材料吸波器的物理结构.此外,研究了介质厚度对吸波性能以及超材料单元结构等效阻抗的影响.通过分析吸波器在各谐振频率的电流分布和功率损耗密度分布,进一步研究了吸波器的谐振吸收机理.本文设计的极化无关超宽带吸波器结构简单、容易制作,在电磁隐身、电磁兼容等领域具有重要应用价值.

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A metamaterial-based urltrawideband absorber with polarizagion independent

YANG Shuhui1, 2CHEN Yingchao2WANG Wensong2,3KANG Jin1HE Xuezhong4

(1.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100101,China; 2.DepartmentofElectricalEngineering,UniversityofSouthCarolina,ColumbiaSC29208,USA; 3.CollegeofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China; 4.CollegeofArtsandSciences,UniversityofNorthCarolinaatGreensboro,GreensboroNC27412,USA)

A new type of metamaterial absorber with ultra wideband absorbing performance which is based on metal film of tantalum nitride and porous foam is proposed. The frequency band of which absorbance is more than 80% range from 15.5 GHz to 47.2 GHz (the maximum absorbility achieves 99.89% at 18.3 GHz). The relative bandwidth is approximate of 101% and the operating frequency fully covers the K-band and Ka-band and partly U-band. For the oblique incidence electromagnetic wave of TE mode and TM mode, the absorber exhibits the absorbing property of wide angle. Due to the metal pattern in the metamaterial absorbing cell composed of five concentric rings with omnidirectional rotation symmetry, the absorber possesses excellent polarization indepe-ndent characteristics. The presented absorber has the advantages of simple structure, easy fabrication, thus it has important application value in the fields of electromagnetic stealth and electromagnetic compatibility.

metamaterial absorber; ultra wideband; polarization independent; electromagnetic resonance

10.13443/j.cjors. 2014111301

2014-11-13

国家自然科学基金(61171039)

O441.4

A

1005-0388(2015)05-0934-08

杨曙辉 (1971-),男,黑龙江人,北京信息科技大学信息与通信工程学院教授,北京市级优秀教师,北京市级中青年骨干教师,IEEE会员,主要从事无线通信系统、射频/微波电路设计、高速电路信号完整性、CMOS集成电路设计等领域的研究工作．

陈迎潮 (1956-),男,美籍华人,美国南卡罗莱纳大学教授,博导,北京市海外高层次人才暨北京市特聘专家,IEEE高级会员,主要从事高速电路信号完整性、无线通信射频芯片组设计、毫米波集成电路、无线通信系统、微波天线及散射应用等领域的研究工作．

王文松 (1986-),男,河南人,南京航空航天大学及美国南卡罗莱纳大学联合培养博士研究生,主要从事高速电路信号完整性和射频集成电路等领域的研究工作．

杨曙辉, 陈迎潮, 王文松, 等. 一种基于超材料的极化无关超宽带吸波器[J]. 电波科学学报,2015,30(5):834-841.

YANG Shuhui, CHEN Yingchao, WANG Wensong, et al. A metamaterial-based urltrawideband absorber with polarizagion independent [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):834-841. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014111301

联系人： 杨曙辉 E-mail: yangshuhui@bistu.edu.cn