基于超材料的电磁能量吸收与转换研究现状及发展趋势简析

龙天斌，江炳萱,3，张俊涛，熊 汉,2*

（1. 重庆大学 微电子与通信工程学院，重庆 400044； 2. 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 211189；3. 中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074）

0 引言

无线通信技术的不断发展为人们的生产、生活带来便利的同时，也使环境空间中的电磁波增多，导致电磁辐射污染问题日益严峻；与此同时，随着无线传感网络、小功率可穿戴设备等微电子系统的快速发展，传统的电池供电方式面临电池寿命有限、更换成本高昂，废电池易对生态环境造成严重污染等问题。因此通过吸收周围空间的电磁能量给微电子系统供电逐渐成为研究热点。此外，电磁能量吸收与转换的研究在航天航空等特殊行业也有广泛的应用前景，例如：随着雷达检测技术的不断发展，隐形战机为了提高隐身效果，需要将探测雷达发出的电磁波尽可能完全吸收，以减小电磁波反射，这就要求涂覆在战机表面的吸波材料吸收效率足够高、吸收频带足够宽。

传统电磁能量收集装置存在吸收效率不高、极化敏感等问题，应用受限，故需发展新型材料电磁能量收集技术。电磁超材料是具有亚波长周期性结构的人工合成复合材料，其电磁参量（介电常数和磁导率）几乎不取决于材料本身的特性，而取决于谐振基本单元的拓扑结构、几何尺寸、周期排列方式与基底材料性质，故可控性强，便于设计制造。此外，电磁超材料还具有一些反常的电磁特性（如负折射率[1-2]、对特定频率电磁波可近乎完全吸收[3-4]、负介电常数[5]、逆切伦科夫辐射[6]等）。利用电磁超材料对电磁波的完美吸收特性来收集电磁能量成为空间电磁能量收集新的研究方向。自Landy 等[7]首次提出电磁超材料吸波器（PMA）以来，有关科研人员从电磁超材料吸波器的高吸收率、多频段、宽频带、宽入射角和极化不敏感等方面开展了诸多研究工作，设计制造了一些各具特点的吸波器。目前，电磁超材料吸波器在医学、生物、军事等领域展现出广阔的应用前景。

本文将梳理已有研究的相关文献报道，概述电磁超材料的电磁能量吸收与转换这2 个主要研究方向的现状，并讨论电磁能量收集有待研究的问题及发展趋势。

1 电磁能量吸收

1.1 超材料吸波原理

超材料吸波的原理是：通过对吸收电磁波的微结构单元进行设计，实现入射电磁波与结构单元的同步强谐振，使其达到理想的阻抗匹配来实现对入射电磁波的理想吸收。典型的电磁超材料吸波体是由金属开口谐振环、介质层、金属底板组成的“三明治”结构（参见图1[7]、图2[8]）。其中：电磁谐振层通过与电磁波匹配，在特定频率产生谐振，谐振方式以谐振环的电谐振和相邻谐振单元间的磁谐振为主[9]；介质层将电磁谐振层与金属底板隔离开，可以通过改变电场相位在底层形成反向电流[10]；金属底板大多采用高导电率金属材料，用来阻止电磁波透射，提高吸波效率。

图 1 Landy 等设计的三层式超材料吸波结构单元Fig. 1 Unit cell of three-layer metamaterial absorber designed by Landy, et al

图 2 Shen 等设计的超材料吸波结构Fig. 2 Unit cell of metamaterial absorber designed by Shen,et al

传统吸波结构的厚度为波长的1/4，使得反射波与入射波相位相差180°，刚好相互抵消，从而达到吸收入射电磁波的作用。而超材料吸波器可以突破1/4 波长的限制，使吸波结构的设计厚度大大减小。同时，为提高电磁超材料的吸波效果和实用性，拓宽其高吸收电磁波的频率范围，研究者又设计了多频段、宽频带、可调谐等不同类型的超材料吸波器。下文将分别介绍它们的实现方法、结构及优缺点。

1.2 多频段超材料吸波器

多频段超材料吸波的实现是通过将不同大小、不同谐振频率的谐振单元组合到一起，利用耦合叠加效应产生多频段吸收的效果。Park 等[11]将不同的圆形谐振单元按不同的方式排列，获得了多频点吸波的效果。杜怡然等[12]用大开口谐振环嵌套小开口谐振环的方式实现了双频段吸波，在5.34 和7.75 GHz 频率处吸收率分别达到73.8%和94.3%。Zhong 等[13]通过将4 个简单的开口谐振环结构围绕底板几何中心旋转排列，制成三频段超材料吸波器，在1.75、3.8、5.4 GHz 处达到吸收峰值，且该吸波结构对极化方向和入射角度不敏感。Ghaderi 等[14]在一块矩形谐振器上通过打孔并填入有耗介质层，最终实现了双频段吸收。Xie 等[15]采取同样方式，甚至实现了4 个频段的吸收。除了用不同的谐振单元组合，还可以用谐振单元和金属线组合来实现多频段吸收。Shater 等[16]采用电磁超材料和微带天线组合的形式，构造了吸收峰值为8.4 和10.9 GHz的双频超材料吸波器（见图3[16]）。邓金山等[17]提出了一种由频率选择表面（FSS）单元、电介质层和金属背板组成的三频超材料吸波体，其中的FSS 单元是由方环和耶路撒冷环复合而成的电磁谐振器，在3.39、4.94 和9.91 GHz 频率处分别实现98.9%、97.6%和98.4%的吸收率[17]。Gundogdu 等[18]则直接采用3 种长短不一的短路金属线实现了在不同频率点达到吸波峰值的效果，且该结构制造相对简单，可以通过更改短路金属线的长度来调整谐振频率点。

图 3 Shater 等设计的双频带超材料吸波器谐振结构单元Fig. 3 Unit cell of double-band metamaterial absorber designed by Shater, et al

多频段超材料吸波器与单频吸波器相比，一定程度上拓宽了吸收频率的范围，提高了吸收效率。但随着组合谐振单元数量的增加，其材料厚度会增大，制作成本也会增高，并且不能适应频率成分复杂的电磁波吸收。

1.3 宽频带超材料吸波器

为了在多频段超材料吸波器基础上进一步提高吸收效率，宽频带超材料吸波器应运而生，主要有多层堆叠结构、多单元结构和加载集总元件等3 种类型。

通过优化谐振单元，将多个谐振频率相接近的谐振结构纵向堆叠，整合为一个基本谐振单元，即可在整体上产生宽频吸收的效果。Ding 等[19]所设计的多层结构堆叠超材料吸波体（见图4[19]）的基本单元谐振结构类似金字塔型，在不同水平面上具有不同的电磁参数和谐振频率，且这些谐振频率间隔较小，因此整合后整体表现为宽频吸波特性。仿真计算得到该结构在8～14 GHz 频带的吸收率达到80%以上。

图 4 Ding 等设计的超材料吸波体及其基本谐振单元剖面图Fig. 4 Stereo image of metamaterial absorberand unit cell of resonator designed by Ding, et al

多层堆叠结构会使吸波器的总体厚度增加，而多单元结构可根据不同吸收峰叠加原理在不增加总体厚度的情况下拓宽吸收频带。Karaaslan等[20]将2 组4 个形状相似、大小不同的圆形开口谐振环交替排列（见图5[20]），组合成一个较大的谐振基本单元。该结构在3.3～5.86 GHz 频带内吸收率可达80%；吸收率达到90%及以上的频带宽度为1.77 GHz。郝宏刚等[21]设计了一种由圆形开口环和方形开口环组成的顶层金属结构（见图6[21]）。该结构在10.65～22.39 GHz 频带的吸收率大于90%。但是，多单元结构吸波器的平面尺寸增大，且单元高度不对称，易存在极化敏感问题。

图 5 Karaaslan 等设计的组合谐振基本单元Fig. 5 The combined unit cell of resonator designed by Karaaslan, et al

图 6 郝宏刚等设计的超材料吸波结构单元Fig. 6 Unit cell of metamaterial absorber designed by Hao, et al

根据等效媒质理论，在计算出超材料吸波结构的等效阻抗后，添加合适的表面电阻即可使超材料在一定的频率范围内与自由空间形成阻抗匹配，从而达到在较宽的频率范围内高效吸波的目的，且吸收的部分电磁波能量还可以在集总电阻上以焦耳热的形式消耗，进一步提高吸波效率。Chen 等[22]在X 形超材料结构的4 个接触点处加入电阻，实现了5～13 GHz 频带的电磁波高吸收效果。此外，组合运用不同的谐振环和添加集总电阻方法，也可以达到拓宽吸波频谱、提高吸收效率的目的。Gu 等[23]设计的超材料单元由电耦合LC 谐振环和开口谐振环（ELC-SRR 结构）构成，并加入电阻、电容等集总参数元件，经实验测算，其在2.4 GHz 频率点的吸收率高达99.9%，在峰值附近吸收率达50%以上的带宽达700 MHz。Yoo 等[24]将具有特定等效阻抗的超表面与电阻电容层相堆叠，组成特殊的六边形结构（见图7[24]），经实验测试，其在垂直入射下、7.2～12.5 GHz 频率范围内的吸收率高达90%。Karaaslan 等[20]使用不同大小的谐振环堆叠，并在每个谐振环开口处加入1 个250 Ω 的电阻形成吸波结构；经仿真计算，其吸波频带宽度和吸收效率均明显提高。

图 7 Yoo 等设计的超材料吸波单元及顶层电阻电容层实物图Fig. 7 Unit cell of the metamaterial absorber,andthe RC layer designed by Yoo, et al

通过组合不同的谐振结构构成的吸波器设计灵活，可以根据需要的频带组合不同的谐振结构，但是其吸收频带往往比较窄，在实际应用中有一定局限性。通过添加集总参数元件的方法可以显著拓宽吸收频带，但是吸波器的厚度会增大，生成制作难度更大。

除上述3 种超材料吸波器实现方法，还可以利用高阻表面实现宽频带吸收。Costa 等[25-26]提出在泡沫表面上设计高阻表面来吸收电磁波，利用细环形高阻表面和金属频选结构可实现低插损情况下在10～20 GHz 频带内吸收率达到90%以上。但该研究仅停留在理论仿真分析阶段，Cheng 等[27]在此基础上改进表面图形，并制造出实物，验证了其可行性。

1.4 可调谐超材料吸波器

在特定环境下，自由空间中的电磁能量频谱分布可能不固定且变化范围广泛，单纯的宽频带吸波器无法适应这种变化，因此可调谐超材料吸波器成为另一研究热点。可调谐超材料吸波器的设计方法主要有：调节超材料吸波器的几何结构；或利用谐振环或基板的非线性效应改变超材料的电磁特性。

可通过多种方法改变超材料吸波器的几何结构来实现吸收调节。Wang 等[28]设计了一种方形超材料吸波结构，经实验验证，当增大方形超材料吸波结构的边长时，吸收峰值电磁波的波长也随之增大。Unal 等[29]验证了当改变介质层厚度时电磁波吸收峰会产生一定偏移。Wang 等[30]设计了一种含可移动部件的吸波器，当其顶层的方形金属片位于底层基板几何中心正上方时，吸收峰在2.11 THz处；当金属片沿电场方向水平移动16 μm 时，吸收峰移至2.59 THz 处。

利用谐振环或基板的非线性效应可以改变超材料的电磁特性，而电磁超材料的谐振频率会随超材料电磁特性的变化而改变，因此可通过人为可控的外加激励（如偏置电压、温度等）对超材料的电磁特性产生影响，从而实现其吸收频率调节。外加激励中，偏置电压往往被应用于含有可变电路元器件、液晶材料和石墨烯材料的超材料吸波器；温度调频则适用于含有二氧化钒（VO2）的超材料吸波器。Velez 等[31]在介质层中加入可变二极管和可变电容（见图8[31]），通过改变偏置电压实现了约0.5 GHz 的频率偏移。Deng 等[32]设计了一种包含液晶材料的吸波结构（见图9[32]），通过在该结构的顶层金属图案层和底层金属之间施加不同的偏置电压来影响液晶材料的磁导率，进而调节谐振频率，经实验测算，其吸收峰可从110.9 GHz 处调节到103.8 GHz 处。Huang 等[33]设计了一种含有石墨烯的吸波器，当偏置电压从0 V 增加至30.7 V时，石墨烯薄片的化学势由0 eV 提升到0.4 eV，同时 吸 收 峰 频 率 从13.5 GHz 提 高 至19.0 GHz。Wen 等[34]通过在传统的超材料谐振结构中加入VO2薄片，实现利用温度对超材料电磁特性的影响来改变谐振频率。

图 8 Velez 等设计的调谐超材料吸波器结构Fig. 8 The tunable metamaterial absorber designed by Velez,et al

图 9 Deng 等设计的可调超材料吸波结构原理Fig. 9 Schematic diagram of the LC-based metamaterial absorber designed by Deng, et al

在上述2 类调谐方法中：调节几何结构的方法制作难度低，但是可调频带范围较窄，在实际环境中调频不方便、难度大；利用非线性效应的方法，调频范围较广且能够根据外界环境的变化主动改变谐振频率，在自适应可调超材料吸波方面有重要的意义，但如何提高调谐精确度是一项有待研究的课题。

2 电磁能量转换

电磁能量收集的目的是吸收自由空间的电磁能量，并将吸收的电磁能量部分转化为供微电子系统使用的电能。在第1 章“电磁能量吸收”中提及的超材料吸波器大都将吸收的电磁能量以介质损耗或表面电阻上的焦耳热的形式消散，而电能整流处理的功能是将由电磁超材料吸收电磁波产生的交流电高效率地转化为可供负载使用的直流电。由于电磁超材料吸波器吸收的电磁波功率、频率不尽相同，故产生的交流电幅度、频率等也有较大差异，这给电能整流处理增加了难度，同时为了使吸收的电能尽可能无损耗地从电磁超材料吸波层传送到电能整流处理层，还应当使这两层满足阻抗匹配的条件。

Hawkes 等[35]在开口谐振环中嵌入Greinacher整流电路来整流吸波器中的感应电流，采用肖特基二极管构成电压倍频器进行升压，提供给电阻性负载；通过对5×1 阵列超材料吸波器进行测试，测得最大转换效率为36.8%，在阻性负载上得到了7.3 V的直流电压。Duan 等[36]则将重点放在通过调节微带传输线的结构参数来实现整流电路与超材料吸波层之间的阻抗匹配（见图10[36]），在2.45 GHz和4.9 GHz 处满足共轭匹配的条件，经实验测算，在输入功率密度为5 mW/cm2、频率为2.45 GHz 的电磁波垂直入射的情况下，6×6 单元超材料吸波结构的电能收集效率可达66.9%。El Badawe 等[37]以每4 个超表面结构单元为1 组设计整流网络（见图11[37]），延长二极管导通时间以提高整流效率。此外，可用高灵敏度的CMOS 管整流电路代替简单的RC 整流电路来综合提高转换效率[38-39]。

图 11 El Badawe 等设计的整流网络层结构Fig. 11 The layout of the rectifier network designed by El Badawe, et al

电磁能量在传输过程中不断损耗，自由空间中待收集的电磁波功率通常不高，因此提高吸波器的电磁能量收集灵敏度对于提升转换效率和增强实用性至关重要。陈田等[40]设计的匹配升压网络可提高系统的灵敏度，在同时进行四晶体管单元CMOS 电路改进后其能量收集整流器接收灵敏度为-30 dBm，经实验测试，在915 MHz 电磁波作用下，可得到2.1 V 直流电，整流电路的转换效率为44%。于坤[41]提出一种利用Bi2Te3热电材料将电磁能量转换为热能再转换为电能的方案，虽然其转换效率不太理想，但是可避免在复杂电磁环境中实现阻抗匹配的苛刻条件，也不失为一个颇具价值的研究方向。

3 结束语

本文将电磁超材料吸波器按其工作频带和是否可调划分为多频段、宽频带和可调谐3 个类别，并综述超材料吸波器的国内外研究现状，归纳它们的吸波原理、设计实现方法、应用范围以及优缺点。目前，将电磁能量转换为直流电的主流思路是由微带线和高灵敏度二极管或CMOS 管组成的整流电路将电磁感应电流整流升压为可供负载利用的直流电；一种新思路是将吸收的电磁能量转换为热能再转换为电能，其能量损耗相对较高，但无须实现严苛的阻抗匹配。

电磁超材料具有特殊的物理性质，打破了常规整流天线的诸多限制，且制备技术成熟，给自由空间的电磁能量收集带来全新的发展。但目前大多数的超材料电磁能量收集与利用尚处于试验阶段。对于未来研究，作者提出以下两大发展方向：

1）实现超材料吸波结构的自动调谐。现今大多可调谐超材料吸波结构的调谐方式须人为完成，比如改变介质板厚度，移动非固定部件，改变偏置电压等，调谐代价高昂。如果超材料吸波结构能够根据外界电磁波频率的改变进行自动调谐，必将极大提高电磁能量收集的效率。

2）发展多功能型超材料结构。自由空间中不仅有电磁能量，还有声波能量和热能，而且目前对后者的收集研究已比较深入[42-43]。倘若能够在电磁超材料结构上进行创新改造，使其能够兼顾吸收周围空间中的声波能量和热能，那么其应用会更加广泛，实用性也会更强。

总之，要将电磁超材料的研究成果投入到大规模实际应用，使自由空间电磁能量收集产生更多且更经济的工程效用，还需要在相关领域做综合多种学科的深度探索和实践。