方形螺旋超材料吸波器的设计研究

张改平 王爱霞 闫明宝 雷兴罡 蒋进明 王静荔

摘  要： 文中设计一种方形螺旋超材料吸波器。为了更好地理解方形螺旋的吸波机理，将方形螺旋与闭合方环结构进行比较，以期为实现高灵敏度吸波器提供理论依据。仿真结果表明：超材料表面方形螺旋为一圈时，在4.22 GHz，6.80 GHz处吸收率分别为98.83%和95.47%;方形螺旋为两圈时，在4.22 GHz，4.38 GHz和6.86 GHz处吸收率分别为97.37%，84.9%和98.46%;当方形螺旋增加至三圈时，在4.22 GHz，4.44 GHz，5.32 GHz和6.96 GHz处出现了4个吸收峰值，吸收率分别为99.36%，78.2%，93.27%和94.86%。结果表明，随着螺旋间距的增大，吸收频带发生了蓝移，因此，所设计吸波器能实现更强谐振及更加简便的性能调节方式。

关键词： 吸波器; 螺旋形超材料; 螺旋结构; 谐振; 吸收率分析; 仿真设计

中图分类号： TN263?34; E928.9                      文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）16?0015?03

0  引  言

超材料[1]是指具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或材料。通过设计特定的结构或选择特殊的介质材料，可获得一些性能独特的器件。超材料的特性可以用有效介电常数和磁导率来表征，而有效介电常数和磁导率则可通过改变材料在特殊结构中的物理尺寸来调控。因此，超材料的优势是可人为设计，任意控制。由于超材料独特的物理特性，其应用前景非常广泛。应用范围覆盖工业、军事、生活等各个方面。超材料非常重要的应用是能有效吸收入射电磁波，在军事中达到隐身的目的。

完美超材料吸波器[2]由Landy于2008年率先提出，这种超材料吸波器具有类似于三明治的三层结构。随着材料制备水平及微观结构表征能力的不断改进与提高，吸波频段从微波段逐步扩展到太赫兹频段、红外波段[3]和光波段[4?5]，吸收频带由单频带发展到多频带、宽频带[6?7]等。

螺旋天线因具有较高的增益和良好的圆极化性能，被广泛地应用在微波领域的无线设备的发射端和接收端。但到目前为止，国内外鲜有表面谐振器为连续螺旋环超材料吸波器的报道。陈哲耕等人利用螺旋环结构的特殊性，将螺旋天线贴片与超材料结构结合，完美地实现了太赫兹波段的高吸波率[8]。据此，本文设计一种方形螺旋周期性结构，为了更好地理解方形螺旋的吸波机理，將方形螺旋与闭合方环结构进行比较，以期为实现高灵敏度吸波器提供理论依据。

2  结果与分析

2.1  方形螺旋圈数变化对吸收率的影响

图2为具有一、二、三圈方形螺旋超材料结构吸收率曲线。

当吸波器表面仅由一圈方形螺旋组成时，超材料在4.22 GHz，6.80 GHz处的吸收率分别为98.83%和95.47%;当吸波器表面方形螺旋圈数变为两圈时，超材料在4.22 GHz，4.38 GHz，6.86 GHz处吸收率分别为97.37%，84.9%，98.46%;当吸波器表面螺旋圈数增加至三圈时，在4.22 GHz，4.44 GHz，5.32 GHz，6.96 GHz处出现了4个吸收峰值，吸收率分别为99.36%，78.2%，93.27%和94.86%。

图3a）和3b）分别为方形螺旋一圈时在4.22 GHz和6.80 GHz处电场沿z轴分布图。图3a）显示在螺旋金属结构上产生电偶极子振荡，从而产生强烈的局域化电场分布，增强了此区域的介电损耗。图3b）显示在螺旋金属结构上产生电四极子振荡，将电磁场局域在此区间，大部分能量被介质基板损耗掉。图3c）～图3e）分别为方形螺旋两圈时，在4.22 GHz，4.38 GHz，6.86 GHz处的电场分布图。图3c）显示在低频时外层螺旋臂电场强度大，表明螺旋结构外层区域电偶极子强烈震荡产生较强的介电损耗。图3d）为方形螺旋两圈时在4.38 GHz处的电场分布图，可以看出该谐振是由螺旋结构单元之间的谐振引起。图3e）显示高频时内层螺旋臂电场强度大，致使介质基板产生较强的介电损耗。图3f）～图3i）分别为方形螺旋三圈时，在4.22 GHz，4.44 GHz，5.32 GHz和6.96 GHz处电场的分布图。由前述分析可知，低频吸收峰由最外层螺旋结构偶极子强烈谐振产生，高频吸收峰由内层螺旋结构偶极子强烈谐振产生。图3f）～图3i） 验证了这一结论。通过比较一圈、两圈和三圈这三种螺旋结构，发现随着螺旋圈数的增加，超材料吸波器的吸收频带增多，这是因为增加的螺旋结构可与其邻近结构产生新的耦合作用[9]。因此，可通过调节螺旋圈数增加吸收频带。

另外，还可根据驻波理论[10]，计算出相应的谐振频率。谐振频率公式为：[fn=cλn=c2ln?εre]。其中，[λn]是驻波波长;[ln]是两节点间的长度;[εre=εr+12]。经计算，外圈在4.89 GHz、内圈在6.57 GHz产生谐振。理论计算谐振频率与仿真结果基本吻合。

2.2  不同结构圈数变化对吸收率的影响

为了更好地理解方形螺旋环超材料的吸波机理，本文研究了闭合方环超材料吸波器的吸收率。闭合方环超材料表面结构参数（环宽和环间距）均与方形螺旋相同，图4为闭合方环超材料吸波器的吸收率曲线。

当吸波器表面仅有一圈方环时，在4.26 GHz吸收率为86.70%;当吸波器表面为两圈方环时，在4.32 GHz吸收率为84.40%;当吸波器表面方环数增加至三圈时，在4.42 GHz和6.82 GHz吸收率分别为83.10%和83.30%。图4表明在环宽和环间距相同的情况下三种闭合方环超材料结构吸收率均不及方形螺旋超材料结构高。

图5为闭合方环不同圈数时的电场分布图。对比螺旋环和闭合环电场分布图，发现低频吸收率均由外圈环的谐振引起，但螺旋结构比闭合方环吸收频带多。这是因为，这种连续不对称的螺旋结构使内圈和外圈中的振荡均增强，将电磁场局域在此区间，大部分能量被介质基板损耗掉。

2.3  环间距变化对方形螺旋超材料吸收率的影响

为了更进一步研究方形螺旋超材料的吸波机理，本文试图改变环间距。图6为不同环间距时方形螺旋超材料吸波器的吸收率曲线。仿真结果表明：随着环间距的增大，谐振频率发生蓝移。这一结果与驻波理论相一致，即随着螺旋间距的增大，内圈螺旋环尺寸减小，驻波波长减小，谐振频率随即增大。因此，可通过改变螺旋间距就能调节螺旋超材料吸波器的谐振频率。仿真结果还显示，间距为0.3 mm时，3个吸收峰值显著增强，表明此种螺旋结构谐振最强，介质板能量损耗最大。

3  结  语

本文设计了一种方形螺旋超材料吸波器。通过研究不同圈数方形螺旋超材料吸波器的吸波率，得出以下结论：当电磁波入射时可在金属螺旋环上产生驻波，将电磁场局域在此区间，致使介质基板产生较强的介电损耗。低频吸收峰值主要是由外圈螺旋环谐振引起，高频吸收峰值主要是由内圈螺旋环谐振引起，这一结论与驻波理论一致;方形螺旋超材料的谐振比闭合方环强，且吸收频带多。因此，在材料和金属宽度相同的条件下，螺旋结构吸波效果优于闭合方环。

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