基于新型电磁人工材料的吸波材料双极化双频带研究.doc

基于新型电磁人工材料的吸波材料双极化双频带研究#张鹏程，林先其，沈睿*5101520253035（电子科技大学极高频国防重点学科实验室，成都 611731）摘要：新型人工电磁材料，不同于传统材料，是由单元电磁结构进行周期排列而成，其最大的特点就是可以通过改变单元的结构参数来改变其等效电磁参数如介电常数和磁导率等。本文介绍了一种基于新型人工电磁材料的双极化平板式吸波结构，通过吸波材料的设计原则分析了结构式吸波材料的原理及优势，并通过仿真软件着重分析和对比了影响该结构吸波性能的重要参数。最后在此双极化结构的基础上，提出了双频带设计方案，并且分析了影响其特性的参数。关键词：新型人工电磁材料；吸波材料；双极化；双频带中图分类号：TN713; TB3Analysis and Design of Dual-polarzation andDual-frequency Absorber Loaded MetamaterialZHANG Pengcheng, LIN Xianqi, SHEN Rui(EHF Key Lab of Fundamental Science, School of Electronic Engineering, University ofElectronic Science and Technology of China, ChengDu 611731)Abstract: Different from the traditional materials, metamaterial is a series of artificial materialsbased on periodic inclusions of metals and/or dielectrics which exhibits controllableelectromagnetic charateristics. In this paper a dual-polarization absorbing metamaterial ispresented. The important parameters of structures which affect the ability of absorbing areanalyzed through simulation software. What is more, a method to realize the dual-frequencycomprising the dual-polarization absorbing structure is presented.Keywords: metamaterials; absorber; dual-polarzation; dual-frequency0 引言近年来，代表着左手材料的新型人工电磁材料在通信研究及工程领域都获得了广泛关注1 2计的新型器件，新型天线，和其他的应用层出不穷。这些结构也被应用在各个频段，从射频，微波，毫米波到太赫兹，甚至到光波频段，但是普遍要求结构是低损耗的。近来，科学界们开始把目光投到具有高损耗特性的新型人工电磁结构上，并应用这一高损耗特性设计出了新型吸波器。在参考文献3中，提出了一种新型平板式电磁吸波结构，该结构由两部分金属元件：电谐振环和金属条带分别印制在介质基板的两面所组成。该结构可实现高损耗正切角，并达到了近乎完美的吸收率。在此之后，应用在不同频段，拥有不同特性的此类结构纷纷被发表出来4-6 。同时，此类结构也有一定的缺陷，如，工作频带窄，极化方向单一等，为了克服极化方向上的缺陷，我们提出一种双极化结构及双频带的拓展，并对影响其性能的主要参数进行了细致的分析。基金项目：教育部高校博士点新教师基金（20090185120005）；国家自科基金（60901022）作者简介：张鹏程，（1987-），男，博士，异向介质、频率选择表面。通信联系人：林先其，男，副教授，异向介质，微波电路，天线。E-mail: -1-。利用新型人工电磁材料反向传播，非线性响应，可控参数等不同寻常的电磁特性所设401 吸波材料设计原则指导吸波材料设计的基本原则7-9是依据电磁波在介质层内传输损耗特性，选择合适电磁参量的材料以使介质层的输入阻抗和自由空间波阻抗相匹配，达到最佳的吸波效果。吸收率的 A ( ) 计算公式如下：45A( ) = 1 T ( ) R( )其中T ( ) 为传输系数， R ( ) 为反射系数，表示成复数形式即为：(1)22(2)对于一般的吸波材料，我们主要是考虑其吸波特性，即波的透射会很小且尽量没有回波，为了方便设计与研究，我们就考虑其单端口特性，则吸波率 A 可以简化为：502(3)不同于传统的吸波材料依靠材料本身的电磁特性来吸收和消耗能量的特点，应用新型人工电磁材料的平板式吸波器将视角从传统材料的分子，原子结构转移到了周期性排列的结构单元。这些结构通过正背面金属及其之间谐振来吸收电磁波，并依靠中间介质帮助消耗其能量。整个结构单元作为一个整体反映出等效介电常数 () = 1 + i 2 及等效磁导率55 ( ) = 1 + i2 。我们就可以通过设计正面金属的形状来实现所需的电磁参数。由单层吸波体的设计原则9：其中， =0 r r,n = 0, . (4)4为电磁波在介质中波长，d 为介质厚度。可知，当介质厚度为介质中波长的 1/4 的基数倍时，激励场能够在介质内形成稳定的驻波，使能量有效驻留在介质层内60并使其损耗。还说明，如果用普通介质实现对电磁波的吸收，在普通介电常数下，需要很大厚度来满足吸收条件，若要厚度很薄，则需要很高的介电常数来实现吸波，但同时，为了保证空气与介质的阻抗匹配，要求介质的磁导率也要相应提高，满足 r r= 1 ，才可以保证介质中本征阻抗与空气中的本征阻抗相匹配：Z =0 r 0 r= Z 0 。而提高普通介质的磁导率的难度不言而喻，这就使新型人工电磁材料成为吸波材料的理想候选，利用新型人工电磁材料65的电磁可控特性，我们可以通过设计和改变结构单元中金属的形状和尺寸来获得所需的介电常数和磁导率，从而实现结构的电磁谐振，对入射波进行吸收。2 双极化设计及参数分析2.1 双极化的设计模型图 1 为我们使用仿真软件 HFSS 设计的双极化模型-2-%1 270图 1 双极化结构单元模型示意图Fig.1 unit struture of dual-polarization此结构为对称结构，传播方向为-Z 方向，基于该结构周期排列的人工电磁材料显然能758085同时满足了水平极化方向（X 方向）以及垂直极化方向（Y 方向）的电磁波吸收，从而实现了双极化吸波的设计。图 2 为此结构一个单元的详细参数设计：图 2 （a）结构单元正面金属形状参数示意图（b）结构单元背面金属形状参数示意图Fig.2 （a）top view of unit structur（b）bottom view of unit structure为了方便研究也顺应工程应用的需要，我们采用单端口设计方式，背面为接地板。上下两层铜片厚度均为 0.018mm，介质板厚度设为 H。把整个单元等效为一个介质，就可以通过（4）式对结构的吸波特性进行理论分析。2.1.1介质板厚度 H在平板式吸波器结构中，我们选用了介电常数为 4.4 的 FR4 材料作为介质板，并对厚度H 的变化做了参数扫描：-3-0-5-10H=0.6mm-15H=0.764mmH=1mm-20-258.08.59.09.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.09095Frequency (GHz)图 3 不同介质板厚度 H 对 S11 参数曲线Fig.3 S11of different substrate thickness可以看出随着基片厚度 H 的变化，产生吸波的频段也会变化。从图 3 中我们可以看出在产生谐振峰的时候，结构就会有较好的吸波效果。这说明此时结构等效的媒质参数满足四分之一波长厚度的调节，而非介质越薄或则越厚越好。考虑到加工工艺问题，我们将基板厚度选定为实验室已有的 FR4 板材厚度 0.764mm。2.1.2正面十字结构高度 L正面金属结构是提供结构电谐振的主要部分，因此其支节的长度，宽度就成为影响等效100电容电感的关键因素，下图为参数扫描结果：0-5-10-15-20-25-30-35L=4.0mmL=4.2mmL=4.4mm8.08.59.09.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0Frequency (GHz)图 4 不同结构高度 L 对应的 S11 参数曲线Fig.4 S11 of different L105通过仿真我们发现正面十字高度 L 对结构的工作频率的影响较大。这是因为 L 的改变，影响了谐振频率，从而影响整个吸波器不同频段的等效介电常数和磁导率。从（4）式中，我们可以看出，在厚度一定时，改变介质的介电常数和磁导率，就会改变吸波频段改变，这个也是本吸波器特点之一。-4-S11 (dB)S11 (dB)1102.1.3正面十字端支节长 A当介质厚度和正面十字高度确定后，我们对十字端支节长 A 进行了参数扫描：0-5-10-15-20-25-30-35A=2.7mmA=3.3mmA=3.0mm8.08.59.09.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0Frequency (GHz)图 5 不同端支节长 A 对应 S11 参数曲线Fig.5 S11 of different A115从上图可见，十字端支节长 A=3 mm 时有较大的谐振峰幅度，也就说明此时在这个频段有最大的吸波率。2.1.4单元大小 D平板式吸波器是一个单元式周期结构，所以单元周期也会直接影响吸波特性。我们用HFSS 软件模拟的一个无限大的周期平面，在正面结构确定下来时，对单元大小 D 的扫描：0-10-20-30-40-50-60D=7.8mmD=8.3mmD=8.8mm8.08.59.09.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0120Frequency (GHz)图 6 不同单元大小 D 对应的 S11 参数曲线Fig.6 S11 of different D可以发现单元之间排列的间距对吸波器吸波效率的影响是比较大的。-5-S11 (dB)S11 (dB)1251301351403 双频带设计及参数分析3.1 双频带的设计模型基于吸波器的设计原理，双频带的设计我们采用双层结构。图 7 为我们的双频带的双层结构模型图 7 双频带双层结构单元模型示意图Fig.7 structure of dual-band dual-layered unit3.2 双频带设计参数从图 7 我们可以知道，双频带的实现主要是由两层双极化结构紧贴在一起。由于厚度增加，在结构起谐振的频段的反射系数会变的很小，吸波效果就大大降低。因此，影响此双层结构吸波特性的主要参数就是双层结构的厚度。设上层厚度 D1，下层厚度 D2。对于下层结构来说，只有一层介质层，因此该层介质厚度 D2 对双频段的影响只是一个频段的频率影响。上层结构的介质厚度是 D1+D2，因此 D1 厚度直接影响双频段另一个频段的频率与吸波率，同时，上层的厚度也直接影响与下层的匹配，从而也影响了下层结构的吸波率。因此上层厚度 D1 成了尤为重要的一个参数。我们对上层厚度 D1 进行了扫描：0-5-10D1=0.15mmD1=0.3mmD1=0.6mm-15-208.08.59.09.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0Frequency (GHz)图 8 不同上层厚度 D1 对应的 S11 参数曲线Fig.8 S11 of different D1145从图 8 中，我们可以发现，上层厚度 D1 的影响基本与上述分析一致。可以发现当 D1为 0.3mm 时，双频带都能基本达到一个较好的吸波率。-6-S11 (dB)3.3 双频带设计改进上述的双频带的设计仅限于仿真理论分析，但是考虑到实际加工时，上述结构的基板厚度就不符合要求。因此对于双频带设计还有待改进。考虑到吸波频段和吸波特性要求，我们150155160165170175可以考虑在上层结构和下层结构中加入集总参数，综合等效电路分析，在谐振频段产生匹配，从而增加吸收率。4 结论本文从传统吸波材料的设计原则出发，提出了利用人工电磁材料来实现平板式特定频段高吸收率的新型吸波材料。通过在高损耗介质基板上加载十字金属结构，本文实现了 X 波段的双极化平板式吸波器及其双频带吸波，总结了其设计方法，给出了影响了其性能的主要参数。该结构的特点一是实现双极化，今后还可发展设计为任意极化方向；二是该结构为一窄带结构，应用于吸波方面是一个缺陷，但是同时这表现了其优势就是改变结构参数就能改变其吸波频段，这也为双频段以至多频段设计提供了条件。参考文献 (References)1 Pendry J B, Schurig D, Smith D R. 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