基于电阻膜的超宽带超材料吸波体设计

孔祥林 马洪宇 陈鹏 梁仓 王伟华 韩奎 张生俊 刘晓春 赵雷 沈晓鹏

（1. 中国矿业大学信息与控制工程学院，徐州 221116；2. 中国矿业大学材料与物理学院，徐州 221116；3. 试验物理与计算数学重点实验室，北京 100076；4. 高性能电磁窗航空科技重点实验室，济南 250023）

引 言

微波吸波体作为吸收和耗散电磁波能量、抑制电磁波反射和传播的有效工具，在电磁屏蔽、无线通信、成像和雷达隐身等技术领域得到了广泛的应用[1-4]. 在过去的几十年里，人们对吸波体设计进行了大量研究. 传统的吸波体，如Salisbury 屏[5]、Dallenbach吸波体[6]等可以实现完美吸收. 然而，巨大的体积和质量限制了它们在电磁领域的潜在应用.

超材料，又称人工电磁材料，通常由亚波长结构单元按周期或有规律的非周期方式排列组合而成，具有强大的电磁调控能力[7]，如负折射率、反向传播和电磁隐身等. 超材料吸波体可以在特定频率范围内实现电磁波的完美吸收，且可以克服传统四分之一波长器件的厚度限制[8-11]. 进而，研究人员利用金属谐振特性设计了高吸收超材料吸波体[12-15]，但吸收带宽较窄. 随后，研究人员利用多层堆叠[16-19]、加载集总元件[20-23]等方法拓展吸收带宽，但是这些设计复杂、成本较高. 电阻膜因具有较好的宽带电磁损耗特性，受到研究人员们的青睐[24-28]. 2017 年，Cui 等人利用风车结构化电阻膜设计了一款超材料吸波体，在8.3～17.4 GHz 可以实现90% 的吸收率[17]. 同年，Sheokand 等人基于氧化铟锡电阻膜设计了一款工作于6.06～14.66 GHz 的超材料吸波体[26]. 2021 年，Chen等人基于多层电阻膜叠加方法设计了一种极化不敏感吸波体，在4.73～39.04 GHz 频带内的吸收率均高于90%[28]. 上述超材料吸波体成功实现了宽带吸收特性，但吸波体带宽需要进一步拓展以提高不同频带的兼容性.

本文基于多层电阻膜-介质复合结构，设计了一款超宽带超材料吸波体. 该超材料吸波体由四层电阻膜-介质和金属接地板组成. 其中，电阻膜阻值由上向下逐渐减小，多层结构设计有效地向S 波段和U 波段拓展了吸收带宽. 此设计具有以下优点：1)在3.16～51.6 GHz (相对带宽176.9%)频段内吸收率都高于88%，实现了宽带吸收；2)在工作带宽内，对于TE 和TM 波入射表现出极化不敏感特性；3)电磁波入射角度在0°～45°内变化，吸波体的吸收率均高于80%.

1 超材料单元设计与仿真

超材料吸波体单元采用多层结构，周期p=14 mm，如图1(a) 所示. 超材料单元由电阻膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalat, PET)(ε=3.0，tan δ=0.06l)、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(polymethacrylimide，PMI)(ε=1.05，tan δ=0.001)和金属接地板构成. 其中，PMI 自上而下的厚度分别为t1=2 mm、t2=2 mm、t3=3 mm、t4=2 mm;方形电阻膜的宽度由上而下分别为w1=12.5 mm、w2=11.9 mm、w3=13 mm、w4=14 mm. 超材料吸波体的侧视图如图1(b)所示，多层方形电阻膜的方阻值由上而下递减，分别为R1=450 Ω/□、R2=345 Ω/□、R3=337 Ω/□、R4=250 Ω/□.电阻膜放置于衬底PET 上，PET 厚度tp=0.175 mm，金属接地板采用厚度为0.018 mm 的铜，电阻膜厚度可以忽略不计. 利用商业软件CST 对设计的超材料单元结构进行数值模拟, 电磁波沿着z轴负方向入射，在x、y方向均采用unit cell 边界条件. 图2 呈现了超材料吸波体的吸收谱线和归一化阻抗，明显看出，在3.16～51.6 GHz 频段内，超材料吸波体对于垂直入射下的电磁波吸收效率都高于88%. 设计的超材料吸波体实现了中心频率为27.38 GHz、相对带宽为176.9%的吸收性能，覆盖了C、X、Ku、K 和Ka 波段，部分覆盖S 和U 波段. 超材料吸波体和自由空间阻抗必须完美匹配才能达到完美吸收，通过计算吸波体的归一化阻抗，进一步解释了其宽频带吸收性能：从图2 可以看出，归一化阻抗的实部和虚部分别接近于1 和0，即在目标频率范围内实现了超材料吸波体与自由空间的阻抗匹配，从而减少了接触界面的后向反射.

图1 吸波体单元多层结构(a)和侧视图(b)Fig. 1 Absorber unit cell multilayer structure (a)and side view (b)

图2 垂直入射条件下吸收率和归一化阻抗曲线Fig. 2 Absorptivity and normalized impedance curves under vertical incident conditions

对于电磁波的入射角和极化角是否具有稳定性也是验证吸波体性能的重要指标. 图3 给出了TE 和TM 极化电磁波在不同斜入射角下吸收体的吸收率曲线，表现出对入射角度具有鲁棒性. 如图3(a) 所示，TE 极化波入射条件下，入射角度从0°增加至45°时，吸收带宽变化较小，且吸收率均在80%以上.如图3(b)所示，TM 极化波入射条件下，入射角度从0°增加至30°时，吸收带宽变化较小，且吸收率在3.98～51.3 GHz 内均高于88%；入射角增加至45°时，吸收带宽明显向右移动，但吸收率依然保持在88%以上. 结果表明，设计的超材料吸波体结构具有对称性，且对于电磁波极化状态表现出不敏感特性.

图3 TE 波(a)和TM 波(b)入射下的吸收率仿真曲线Fig. 3 Absorptivity simulation atlas under TE (a)and TM incident wave (b)

2 理论分析与实验验证

本文基于传输线理论等效电路模型，分析吸波体的性能. 如图4(a)所示，给出了超材料吸波体所对应的等效电路模型. 其中：Z0为自由空间的阻抗；第一、二和三层电阻膜为容性表面，可以等效为RC 串联电路，其等效阻抗分别为Z1、Z2和Z3；第四层电阻膜尺寸与单元结构周期相等可以等效为电阻，其等效阻抗为Z4；介质层和金属接地板可以等效为传输线和小电阻R5；Z5、Z6、Z7和Z8是四层介质的波阻抗；Zin是从左位置向右看去的等效阻抗. 利用ADS 软件建立等效的电路模型，数值拟合CST 仿真结果. 等效模型中的集总元件参数如下：R1=58.13 kΩ，C1=2.43 nF，R2=66.67 kΩ，C2=789.89 pF，R3=555.5 Ω，C3=1.35 nF，R4=4.9 kΩ，R5=5 Ω，C4=1.68 nF，L1=0.03 nH，C5=0.76 pF，L2=0.655 nH，C6=79.42 pF，L3=27.55 nH；C7=69.01 pF，L4=3.39 nH. 图4(b)将电路模型与CST 仿真的吸收率进行了比较，可以看出计算结果与仿真结果一致.

图4 吸波体等效电路模型(a)及ADS 与CST 仿真结果对比(b)Fig. 4 Absorber equivalent circuit model (a) and comparison of simulation results between ADS and CST (b)

为了进一步验证其吸波性能，加工、制作并测试超材料吸波体. 采用丝网印刷工艺，改变印刷厚度可以得到不同方阻值的电阻膜，制备了四种不同尺寸的方形电阻膜. 然后，使用光学胶粘合介质和电阻膜，胶层厚度非常薄，对超材料吸波体的性能影响可以忽略不计，金属接地层为金属铜. 加工的样品由22×22 个单元构成，尺寸为308 mm×308 mm，如图5(a)所示. 采用自由空间法对加工的超材料吸波体样品进行测试，实验装置如图5(b) 所示. 一对1～18 GHz 宽带喇叭天线，分别作为发射源和接收源，用两根低损耗线缆与矢量网络分析仪连接，以记录测试数据.

图5 吸波体样品(a)和实验装置(b)Fig. 5 Absorber sample (a) and experimental device (b)

图6 给出了2～18 GHz 吸波体的吸收率测试曲线. 如图6(a)所示，在3.15～18 GHz 对于不同入射角度的 TE 波，吸波体的吸收效果变化明显. 入射角度在5°～30°范围内，其吸收率高于85%；角度增加至45°，吸收率下降至78%左右. 如图6(b)所示，TM 波入射情况下，入射角度从5°增加到15°，在3.5～18 GHz吸收率均大于80%；随着角度变大，吸收带宽明显向右移动，但在4.25～18 GHz 吸收率均大于80%. 测试结果与仿真结果存在差异，这可能是由样品的电阻膜方阻值分布不均匀和实验环境导致.

图6 TE 波(a)和TM 波(b)入射下的吸收率测试曲线Fig. 6 Absorptivity measured results under TE (a)and TM Incident (b)

3 结 论

本文设计了一种完全覆盖C～Ka 波段、部分覆盖S 和U 波段的极化不敏感超材料吸波体. 基于电阻膜的电磁损耗特性，将电阻膜/介质叠层结构组合在一起，达到阻抗匹配以实现宽带吸收. 仿真结果表明，在3.16～51.6 GHz 频段内，吸波体的吸收率都高于88%，相对带宽达到176.9%，与同类结构设计相比具有更佳的宽带特性. 对于TE 和TM 波，入射角度从0°到45°变化，吸波体始终保持良好的吸收性能.最后，制作、加工并测试了超材料吸波体，实验结果与仿真结果基本一致. 该设计在隐身领域具有广阔的应用前景，并对多层电阻膜超材料吸波体设计具有参考价值. 但该设计对于L～S 频段的电磁波吸收存在不足，可以结合磁性吸波材料进一步研究解决方案.