左手材料参数对吸波性能的影响

左手材料参数对吸波性能的影响

随着现代科学技术的发展，将吸收材料应用于军事和民用领域变得越来越重要。为了增加材料吸收和损失，我们正在研究接收材料。吸收材料的开发还包括不同材料的电磁干参数的匹配。理论和实践表明，只有在吸收材料的电磁干参数相同时，才能实现吸收材料在工作间隔内的理想吸收效果。前苏联科学家Veselago于1968年提出了左手材料的设想,并预言了在其中传播的电磁波的电场、磁场和波矢量满足左手关系,故称其为“左手材料”(left-handedmaterial,LHM).2001年该思想被实验证实.迄今,左手材料研究已在基本理论、负折射(包括完美透镜)、Metamaterials、左右手材料交替结构光子/声子晶体、左手材料应用器件等研究方向上取得了很多的进展.也有人曾预言左手材料可用作吸波材料.该文作者先期的尝试性工作结果表明,在吸波体材料与吸波体设计中引入左手介质,可有效拓宽吸收带宽,增加反射损耗,表明左手介质有望成为制备吸波性能良好的吸波体的材料之一.该文提出了一种空气/左手介质/右手介质/金属的双层结构吸波体设计,利用传输线模型与计算机仿真方法考察了左手材料各个参量变化在8～12GHz频率范围内对吸波性能的影响.在吸波体材料与吸波体设计中引入左手介质尚罕见报道.希望该研究工作对吸波材料研究能够提供参考.1吸波体密度ls左、右手双层吸波材料结构模型如图1所示.左手材料为该结构的第1层,其损耗很小可以忽略,主要起电磁匹配作用.第2层为高吸收的常规吸波材料,主要起吸收电磁波的作用.基底板为金属导体,有较高的反射率.假定金属为理想导体,根据电磁场理论,利用传输线模型可得到双层吸波体的总场复阻抗的表达式为Zwh=iZ1Z2sink2d2cosk1d1+Z1sink1d1cosk2d2Z1cosk1d1cosk2d2−Z2sink1d1sink2d2.(1)Ζwh=iΖ1Ζ2sink2d2cosk1d1+Ζ1sink1d1cosk2d2Ζ1cosk1d1cosk2d2-Ζ2sink1d1sink2d2.(1)式中:脚标“1”、“2”分别代表入射介质与折射介质;Z1、Z2分别为第1层与第2层的复阻抗;k、d分别为复波数、厚度.双层吸波体的整体反射系数为rwh=(Zwh−Z0)/(Zwh+Z0).(2)rwh=(Ζwh-Ζ0)/(Ζwh+Ζ0).(2)式中:Z0是空气的本征波阻抗,dB.反射系数为R=20lg|rwh|.(3)R=20lg|rwh|.(3)它是负的分贝数,在计算仿真过程中,为了计算方便取R=-20lg|rwh|.对于左手介质,ε′、μ′均取负值,且ε′μ′−−−√ε′μ′前面取负号.如果要实现吸波体无电磁反射,即得到理想吸波体,要求rwh=0;Zwh=Z0.从上述计算过程可以看出,双层吸波体的吸波性能不仅与电磁参数的取值有关,还与各个电磁参数的匹配状况有关,因此,只有选择合适电磁参数与厚度的材料使介质层的总输入阻抗与自由空间波阻抗相匹配,吸波体才能达到最佳的吸波效果.2左、右材料匹配参数对吸波性能的影响计算机仿真的目的是寻找吸波体结构整体反射损耗最大时,各层电磁参数和几何参数的取值.先利用“跟踪计算法”计算多层吸波体的反射系数,再利用单纯形法搜索多层吸波体吸收较佳时电磁参数的取值.“跟踪计算法”是计算机数值计算方法之一,其特点是仅依赖于较简单的公式,并且计算精度可以人为控制.而单纯形法是一种解决无约束最优化问题的直接搜索法,其特点是只用到目标函数,而不需要求目标函数导数,也不用写出搜索变量的明显表达式.在吸波体结构中,第2层的右手材料以羰基铁粉复合材料为例,参数如表1所示,这组参数在8～12GHz随频率的变化很小,可认为不变化.由于左手材料的电磁参数具可调性,因此左手材料给出取值范围,进行优化计算,这样可以选择出匹配效果最佳的电磁参数值,为所需左手材料的设计与制备提供依据.优化结果表1.如图2所示,吸波体结构在8～12GHz范围内均有较好的吸波性能,反射系数均大于10dB,最大吸收峰值达到60dB以上,平均反射损(在8～12GHz范围内反射系数的平均值)大于21dB.对左手材料各个电磁参数变化对吸波性能的影响的仿真结果,作出了三维曲线.为了更清楚的观察反射系数与变化的电磁参量之间的关系,在最大值频率点处解剖了曲线,得到图3～6.从图4、6所示的仿真结果看,磁导率虚部与介电常数虚部在该文给定范围内的变化趋势相似,在0～0.1的变化幅度较大;当其取值大于0.1时,变化比较平缓且可近似为线性.反射系数对磁导率实部与介电常数实部的依赖关系可由图3、5看出.为考察左手材料厚度变化对吸波体吸波性能的影响,固定吸波体其他各个参数,只改变左手材料匹配层厚度,对反射系数进行的仿真结果如图7、8所示.图7表示的是不同的左手材料厚度导致平均反射系数的变化曲线,其最大峰值出现在1mm附近.图8表示的是取不同厚度时,吸波体反射系数的变化趋势.结果表明,在吸波体其他参数固定,只改变左手材料厚度时,吸收峰的幅值与对应频率均发生变化:当左手材料厚度为1mm时,吸收峰最大;当该厚度自1mm起逐渐增加时,吸收峰峰值降低且向低频方向移动;当该厚度自1mm起逐渐减小时,吸收峰峰值也会降低且向高频方向移动.3吸波体仿真结果该文提出了一种空气/左手介质/右手介质/金属的双层吸波体结构,分析了该结构的吸波特性,通过仿真可以得到以下结论:1)用左手材料作吸波体结构的匹配层,可以拓宽吸收频带,提高吸收峰值,左手材料有望成为制备良好吸波体的构成材料.2)通过分析大量仿真结果可知,左手材料磁导率虚部与介电常数虚部在该文给定范围内的变化趋势相似,在-0.1～0变化幅度较大;其他电磁参数在一定范围内的变化对吸波体的反射系数也有很大影响.由于左手材料是人工设计结构材料,它的电磁参数可通过适当的结构设计予以调整,所以这一结果可以在一定程度上指导所需左手材料匹配层的设计与制备及实验提供一定的