【《超材料吸波器分析的国内外文献综述》5100字】

超材料吸波器研究的国内外文献综述在1968年，Veselago发现了一种与自然界物理性质不同的材料被定义为“左手材料”或者“双负材料”[2-4]。直到1999年，Pendry提出人工磁体的出现，打开了负介电参数材料的一扇门，超材料从此在电磁领域开始了突飞猛进的发展。除了负折射现象之外，超材料展示出一系列的超常特性。比如隐身斗篷、完美透镜、无相差透镜等，吸波超材料在超材料应用领域中占较大的比重。2008年N.I.Landy在PhysicalReviewLetters提出了一种电磁谐振超材料吸波器的理论，设计了一款谐振式电磁超材料吸波器[5]。吸波器的谐振单元由电谐振器和磁谐振器组成，通过对谐振周期单元的设计和介质基板的选择，在11.62GHz能够实现电场和磁场的耦合，使得超材料吸波器的吸收率达到99%。提出的这种电磁材料吸波器的理论，在国内外电磁屏蔽领域引起了大量的浪潮，电磁超材料在电磁辐射的吸收、增强阵列天线的方向性和减小雷达散射截面（Radarscatteringcross,RCS）方面得到了广泛的应用。随着进入5G时代，空间中的电磁密度逐渐增加，电磁辐射屏蔽方面会有较大的应用和研究价值。图1.2.1金属条带谐振型窄带超材料吸波体2008年，Padilla等人首次仿真了一种周期单元结构为用开口环和金属线的超材料吸波器，吸波频段在1.3THz，并通过实验和实物加工测试得到了超材料吸波器具有70%的吸波率。2008年，Padilla等人设计了周期谐振单元为开口谐振环的吸波结构。2011年，顾超等设计了一种极化稳定性较强的超材料吸波器，能够在设计频段峰值吸波率达到97%，实现了自由空间的波阻抗匹配，对于TE模式和TM模式合成的任意模式正交极化波的吸收。同年，西安电子科技大学梁昌洪等人提出了一种双频段超材料吸波器，其基本周期谐振单元为嵌套结构，由雪花图形和外方环结构组成。同年，东南大学崔铁军等人设计出了一款三频段的超材料吸波器，分别在4.06GHz、6.73GHz、9.22GHz频段能够达到基本无反射吸收电磁波，其吸波率分别为99%、93%、95%。2018年重庆邮电大学郝宏刚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。根据超材料的等效介质理论和与自由空间的阻抗匹配要求，设计了使得超材料吸波器具有多个吸收峰，扩展了的超材料吸波器的吸波带宽。图1.2.2多单元结构实现宽带吸波结构单元图1.2.3吸波体吸收率曲线2019年南京航空航天大学史向柱等人，根据等效媒质理论设计了平面柔性超材料吸波器，在2.6-12GHz的频率范围内的吸收效率达到90%以上，了满足不同工作场景的需要，使吸波器能够共形在不同表面采用柔性材料作为介质基板材料[9]。图1.2.4宽带柔性吸波体结构单元图1.2.5吸波体吸收率曲线2020年电子科技大学顾巍巍基于超表面技术中频率选择表面的特性，在磁性吸波材料上加载频率选择表面单元调节整体吸波结构的阻抗匹配并设计一种基于频率选择表面的宽带磁性吸波材料。图1.2.6Non-Foster加载磁性材料超薄超宽带吸波结构图1.2.7吸波体吸收率曲线随着对于超材料吸波器结构的不断深入研究，理想的吸波材料必须具有吸波强、频带宽、重量轻、厚度薄、易共形等优点，然而现有的吸波材料无法同时满足“强、宽、轻、薄、柔”的高要求[10]。由最初的谐振式吸波结构到Salisbury吸波器结构[5]，进而使用中心对称结构或者不同谐振单元达到极化不敏感的特性。虽然现在超材料吸波器得到了很大的发展，但是还是存在许多不足，需要对超材料吸波器使用不同介质基板与不同电介质对于吸波性能的影响进行深入研究，未来希望通过更深层次学习设计出具有超宽带柔性的超材料吸波器，满足日益增长的需求。文献[1]基于超材料的等效媒质理论和传输线理论，研究了两种电阻膜结构所设计的谐振单元构成的超材料吸波器。吸波器的吸波性能可以通过改变介质基板厚度和电阻膜形状实现；对于十字型电阻膜谐振结构，在模式大角度入射时在入射角小于60°的情况下，实验仿真结果与实物测试结果基本吻合；基于开口方环与缺陷十字贴片设计了嵌套的多频带吸收结构，实现了多个吸收峰扩展了吸波带宽。根据仿真得到电流强度分布图和电场强度分布图可以看到，磁谐振即超材料吸波器吸波谐振单元和金属背板之间的电流所激发的磁响应对于多频段设计时的影响较大，电场强度所起的电谐振影响较小。文献[2]本文主要设计了一款双频超材料吸波器，介质基板采用聚酰亚胺材料（Polyimide,PI），这种材料能够实现不同场景中的应用，能够共形于多种不规则表面，当由于共形时的弯折而造成吸波频点的偏移，将会是设计的吸波器吸波频段发生变化。文献[3]设计出一款宽带柔性超材料吸波器，改变仿真参数发现随着介质基板厚度的增加，吸波器的吸收频点向低频移动，结合电场强度分布图和电流强度分布图发现超材料吸波器在吸收频段发生了有效的电谐振和磁谐振，但是损耗强度较小，根据超材料吸波器的电磁损耗原理，发现有效的电磁损耗是热损耗形成的。同时，，随着入射角和偏振角的增大，吸波器的吸收频率逐渐变小并且吸波带宽逐渐变窄，吸波性能下降。文献[4]设计出一款谐振周期单元为八边形与锯齿状多边形组合图形，基于等效媒质理论利用超材料的频率选择表面（Frequencyselectionsurface,FSS）原理，能够透射出相应频段的超材料吸波器。介质基板选用特氟龙（Teflon），在吸波频率为14.8GHz时，吸波器的吸波率为99.13%，采用中心对称结构，实现了极化不敏感特性。文献[5]Salisbury吸波屏，其工作原理是基于四分之一波长吸收原理。这种结构设计保证使得入射电磁波与反射电磁波保证二分之一波长，从而发生干涉作用，使得两次反射的电磁波相位相消，形成吸波响应。文献[6]设计了正方形周期吸波结构(L=9mm，D=3mm，R=50Ω/sq)，根据仿真时的电场强度分布图和电流强度分布图，发现在柔性基板拉伸前，所设计吸波频点的电场强度在正方形结构两端强度较高，拉伸后电场强度分布面积变大，由于拉伸使得介质基板厚度减小，使得介质基板间的等效电容变大。随着拉伸度的不断增加，介质基板厚度变小，使得超材料吸波器的谐振频率向低频移动，吸波带宽减小，吸波率下降，吸波性能变差；在TM模式垂直入射下，随着拉深度的不断增加，超材料吸波器的谐振频点向高频移动，吸波带宽改变很大，吸波性能变化大。文献[7]基于超材料的等效媒质理论和理想阻抗匹配理论，设计了一款方形开口环和圆形开口环嵌套的双方环结构，通过多谐振吸收峰叠加的方式扩展了吸波带宽，介质层选用材料环氧树脂。文献[8]设计了三层超材料吸波器，表面使用高阻抗电阻膜，通过不同的电阻膜结构设计所需要的谐振频点，中间介质层采用环氧树脂基板，底层使用金属接地板。改变表面超材料结构实现与自由空间的波阻抗匹配，减小电磁波的反射，使得入射电磁波在介质层内热损耗从而达到有效的电磁损耗机制，从而实现超材料吸波器的吸波带宽延展。文献[9]吸波器覆盖的工作带宽为6.86-18GHz，仿真设计了不同高阻碳浆的方阻值，基板厚度对于吸收效率的影响。通过调节不同厚度的介质基板厚度，和不同高阻碳浆时的方阻大小得到了最优的结构参数。根据仿真得到的表面电磁损耗图分析得到，当方阻值过大过小时，与空气之间的阻抗匹配变差，使得吸波带宽变窄。改变介质基板厚度得到，随着介质基板厚度的增加，吸波频点向低频移动，吸波率变小，吸波性能变差。文献[10]设计了一种超宽带可调超材料吸波体。由于石墨烯的电导率可以通过光照进行改变，通过仿真得到合适的电导率，使得吸波体在C波段、X波段和部分Ku波段的吸收率保持在90%以上，能够实现设计超宽带吸波器的设计，吸波带宽比达到6文献[11]基于超表面技术中频率选择表面的类空间滤波器特性,在磁性吸波材料上加载频率选择表面单元调节整体吸波结构的阻抗匹配并设计一种基于频率选择表面的宽带磁性吸波材料,厚度为6.84mm,在1.7GHz至18GHz频段内吸波率大于90%。文献[12]文章中系统的介绍了窄频吸波超材料由两层金属层和一层绝缘层组成的三明治结构超材料实现了对微波波段电磁波的吸收。由周期性的电谐振环与磁谐振使得在11.48GHz频点具有99%的吸收率；宽角度入射吸波超材料说明了想要达到入射角不敏感的需要就要设计具有对称结构的吸波超材料使其能够引发反向平行的电流；通过设计多个超材料结构单元中心对称使得吸波超材料在不同的极化角度下，吸波频率和吸收率均不发生改变，具有良好的极化不敏感特性。文献[13]介绍了“三明治”结构的局限性，即由“金属-介质-金属”三层构造,在介质板表层刻蚀金属图案以提供电谐振,底部采用金属板以防止电磁波透过,金属板与表层金属结构耦合形成磁谐振器.虽然这种构造普遍能够接近完美吸波,但基于强谐振理论只能实现窄带吸波,而且平面结构对于极化和角度都比较敏感,不能保持良好的稳定性.文献[14]设计了一种基于氧化铟锡(ITO)薄膜的宽带吸波体，峰值吸收率达到了99%以上。文中对比了不同层数的影响并通过遗传算法对单元结构参数进行优化基于等效传输线理论，解析表达优化后单元的反射率并与实际仿真结果进行了对比。仿真与测试结果，超材料吸波器的吸收性能稳定，说明该结构具有极化不敏感和入射角不敏感特性。提出的方法解决了传统经验公式对结构参数普适性不足的问题,由于使用ITO作为表面结构，其阻抗实部可调范围广，在理论上无需扫参，可以快速精确的设计任意波段吸波的吸波体。文献[15]提出了一种覆盖8GHz~18GHz波段的超宽带双极化超材料吸收体（Ultra-broadbanddual-polarizedmetamaterialabsorber,UDMA）。采用带电阻的金属条将阻抗匹配层和吸收层结合为一体。另外，由于任意方向的入射光束都可以分解为X偏振和Y偏振，采用中心对称结构使UDMA偏振不敏感。仿真结果表明，该吸收体在7.9GHz-20.2GHz范围内具有良好的吸收特性，吸收率大于90%。UDMA的厚度为3.55mm，约为0.093λ（最低截止频率处的波长），远低于传统吸收体的1/4λ厚度。考虑到电阻误差的存在，对不同电阻进行了仿真，结果表明所设计的减振器对电阻误差有20%的容错能力。提出了一个电路模型来说明吸收波的原理。文献[16]提出了一种超宽带双层吸收器，它由第一层的电阻方环路和第二层的电阻方斑组成。设计实现4.09-31.36GHz的吸收水平高于90％，其具有153.85％，其具有总厚度8.6毫米，这是0.117λ的分数带宽FBW内27.27GHz的吸收带宽大于最低截止频率。还分析了提出的工作的角度稳定性，发现对于TE模式，该稳定性最高可达80°。与以前的工作相比，提出的设计在厚度与带宽之比上显示出了很大的改进。文献[17]随着对超材料的认识不断加深，超材料在生活中的各个领域加以运用和实践，超材料理论、设计、制备和测试等相关技术取得了突破性进展，在许多方面得到了广泛的应用。同时，它还可以用于优化组合具有“吸波体薄、吸收频带宽、重量轻、体积小”等特点的电磁超材料，可以用于增加天线方向性、吸波器、天线罩等方面。文献[18]吸收体将同心半圆形铜片的周期性阵列嵌入FeSiAl/环氧树脂复合材料层中。具有特殊结构设计的吸收器，不仅克服了超材料吸收带窄的问题，而且解决了磁性材料吸收器C带吸收效果弱的缺点。该吸收体在C波段具有明显的吸收作用。文献[19]提出的吸收器由顶部金属谐振器，中间介电层和底部金属平面的三层结构组成。顶部结构以质心为中心，以三叉形展开，平均呈360°分布，两端再次分叉。通过专业软件进行计算，以迭代地优化超材料吸波结构在微波范围内的吸收效果。结果表明，超材料吸波体在5.984GHz，12.232GHz，18.128GHz，18.414GHz和20.592GHz的谐振频率上有五个峰，分别为0.9925、0.9968、0.9783、0.9754和0.9975。文献[20]通过修改吸波体单元结构，使最低工作频率在参考结构基础上降低了20%，并实现在1.35-3.5GHz范围内吸波率超过90%，大大提高了吸波体的实际应用能力。参考文献[1] 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