杜怡然;申靖轩;聂子晴;陈颖涵;柏宁丰
【摘 要】设计了一种微波频段多频段超材料吸收器,该吸波器可工作在电磁波平行入射状态,可用于传输电路电磁波的吸收.利用CST软件仿真,模拟了图形层结构单元包含不同数目金属环时该超材料的吸收谱.结果表明,图形层的金属环数目越多,吸收谱上吸收峰数目越多.进一步研究表明每层金属环的引入,都会增加电感和电容,进而增加谐振频率,使谐振峰增加.以上结果表明,该吸波器结构在频谱分析和多谱成像等领域表现出较大潜能.%A multi band metamaterial absorber for microwave band is designed. This absorber can work in the parallel incidence state of electromagnetic wave and can be used to absorb electromagnetic wave in transmission circuit. CST software is used to simulate the absorption spectrum of the metamaterial in the graphic layer structure with different number of metal rings. The results show that the more the number of metal rings in the patterned layer,the more the absorption peaks on the absorption spectrum. Further studies have shown that the introduction of each layer of metal ring will increase inductance and capacita nce,and then increase the resonant frequency,so that the resonance peak increases. The above results show that the structure of the absorbe exhibits great potential in spectrum analysis and multi spectral imaging.
【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2018(041)003
【总页数】5页(P549-553)
【关键词】超材料吸收器;电谐振;谐振频率
【作 者】杜怡然;申靖轩;聂子晴;陈颖涵;柏宁丰
【作者单位】东南大学电子科学与工程学院光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心,南京210096;东南大学电子科学与工程学院光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心,南京210096;东南大学电子科学与工程学院光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心,南京210096;东南大学电子科学与工程学院光传感/通信综合网络国家地方联合工程
研究中心,南京210096;东南大学电子科学与工程学院光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心,南京210096
【正文语种】中 文
【中图分类】TM25
电磁超材料EM(Electromagnetic Metamaterial)是由用来模拟电/磁偶极子的亚波长结构单元排列而成的等效介质[1]。它的介电常数和磁导率[2-4]可以通过设计结构单元及其排列方式来调控。利用超材料的性质,实现了对电磁波传播的有效控制:可以模拟现有的物理效应,比如电磁诱导透明效应[5]、克尔效应[6-7];也可以设计自然界原本不存在的物理效应,比如负折射效应[8-9];同时,也可以获得具有特殊效应的电磁波器件,比如超棱镜、隐身斗篷等。目前多数吸波体对垂直入射的电磁波能达到较高的吸收率,实现完美吸波。它是典型的三层结构,顶层是由具有电磁共振特点的金属微结构单元排列而成的二维周期阵列,中间层是1层介质平板,底层是由窄金属带构成的二位周期阵列顶层金属结构单元与其下方的底层窄金属带构成1个电磁共振单元。它的共振模式与入射的电磁波耦合将导致电磁波的吸收。利用等效媒质理论设计该超材料的结构单元使材料波阻抗与自由空间匹配,实现对电磁波的吸收。为了
方便样品制备和更易于实现对电磁波的完美吸收,人们将3层结构的底层窄金属带阵列用完整的金属板来代替,设计出了单频段[10-14]、多频段[15-22]、宽频[23-25]段吸收器。
传统的吸波结构厚度为波长的四分之一,反射波与入射波相位相差π,使得反射与入射波刚好抵消掉,从而达到吸收入设电磁波的作用。但这使得结构厚度受到限制,从而从原理的角度出发,出现了很多新型吸波结构的设计。现行的吸波结构以垂直方向吸波为主,入射角偏小,不能实现大角度入射,吸波结构与电磁波传播方向接近垂直。在实际应用中,很多平面电路也需要利用吸波器结构代替滤波器等结构,这就必须构造平行吸波器来满足需求。因而我们设计一种新型的吸波器,在这种吸波器中,电磁波在微带线中传播,下方有与电磁波传输方向平行的吸波结构。这种结构在行波管中与微波电路同步,可以抑制反射波的产生。
本文设计了一种工作于电磁波平行入射情况下的多波段连通矩形谐振环结构单元左手材料吸波器,利用每个谐振环上的电偶极子与底层金属板的强烈耦合,实现较高吸收率的吸波。本文采用 CST 2015 三维电磁仿真软件测试CRRs 单元左手材料吸波器的传输特性,并计算其吸收率,通过观察吸收谱寻不同吸波结构单元吸收电磁波的规律。CRRs的厚度仅为最短工作波长的1%数量级。此外,其制备能够适应微细加工技术,符合微波电路小型化的发展趋势,具有广阔的应用前景。
图1 三波段同心CRRs完整单元
1 结构设计
为了使电场平行于传输方向的电磁波被吸收,应使吸波结构的谐振为电场平行于图形层,从而实现电谐振。根据此要求,设计了5层吸波器结构,顶层是微带线其材料为铜,电导率为2.25×107 S/m,厚度为35 μm;第2层是介质层,材料为FR4,εr=4.5,厚度为127 μm;第3层是图形层(图1),材料为铜,厚度为35 μm;(第4层介质层,与第2层完全一样;最底层为铜板,厚度为35 μm)。其中CRRs 吸波器层内部结构如图2所示,该层包含了3个沿z轴排列的相同的CRRs 吸波器单元,每个吸波器单元内部的CRRs单元以3×3方阵排列。
图2 CRRs吸波器整体示意图及其内部单元的排列
2 仿真结果与分析
通过CST仿真可得到入射端口的传输参量S11和反射参量S21,即传输率T(ω)=|S11|2,反射率R(ω)=|S21|2,吸收率即为1-R(ω)-T(ω)=1-|S11|2-|S21|2,依据此作出不同吸波结构的吸收谱,如图3所示。
图3是图形层CRRs结构单元中有不同数目的金属环时超材料吸波器的吸收谱(这里只考虑平行入射)。当图形层吸波结构单元中只有两个金属环时,只在5.34 GHz和7.75 GHz处出现较强的吸收峰,吸收率分别为73.8%和94.3%,如图3(a)所示;从图3(b)可以看出,当图形层结构中有3个金属环时,原来高频处的吸收峰依然存在,只是位置变成了7.7 GHz,吸收率变化为93.8%,并且在较低频段出现了两个吸收峰,即2.14 GHz处吸收率为91%及3.7 GHz处吸收率为82.7%。从图3(c)可以看出,当图形层吸波结构单元有4个金属环时,与图3(b)相比,7.7 GHz处的吸收峰依然存在,只是在低频段和高频段都分别多出了一些吸收峰,在图示1 GHz～9 GHz 内吸收峰总数达到了11个;同样,观察图3(d)的仿真结果可知,当图形层结构单元有5个金属环时,与图3(c)所示的吸收谱比较可以发现,4个金属环时已经存在的吸收峰没有太大变化,吸收频点和吸收率基本保持不变,并且在4 GHz～5 GHz 及7 GHz～8 GHz范围内分别增加了3个较强的吸收峰,吸收率均在80%以上。总体而言,吸收谱所显示的吸收峰个数随着图形层结构单元中金属环数量的增加而增多。结果表明,如果选择合适的尺寸,使得顶层结构单元中有合适数量的大小不同的金属环,吸收谱就会有所需要的吸收峰个数,这就为多频段吸收器的设计提供了可行方案。
图3 金属环数目不同时起材料吸收器吸收谱
图4 3个金属环3.7 GHz处的单元电场和电流分布图
为探究这一吸收效应的物理机制,研究了吸波结构单元中有3个金属环时第2峰值3.7 GHz处的单元电场分布图和电流分布图,如图4所示。由电流分布图可见,电流分布基本成左右对称,从三环结构的最外环看,电流分布虽然不是严格的上下对称但基本电流分布正反可以抵消,形成电谐振;内圈两环正反两面金属上的表面电流方向正好相反,两者形成了一个电流回路,即会产生磁谐振。可见,在这个频率点上,内圈形成了磁谐振而外圈形成了电谐振,电磁谐振同时存在保证了任意入射方向的电磁波的吸收。进一步作图分析可知,每一层金属环的引入,都会增加电感和电容,而一组电感电容就确定一个谐振频率,所以金属环的数目越多,谐振峰也就越多。
3 实验结果
采用双环结构进行实验来验证吸波器的吸波性能。采用上文所述的材料和参数进行实验。超材料吸收器采用多层复合技术制作,外部尺寸为20 mm×130 mm,选择高频电路材料FR-4制作吸波器。仿真结果表明,该结构工作频率设置在5 GHz附近。为了实现多层压合结构,避免多层焊接问题,采用两块板材,顶层单面板压合底层双面板,该结构共有5层结构,分别为铜,
介质,铜,介质,铜层,铜和介质的厚度分别为3 5 μm和127 μm,并将顶层铜制作为微带线,在第3层铜上制作吸波结构CRRs环,如图1 所示。图5为实验电路图。
利用安捷伦E5071C矢量网络分析仪测量了超材料吸波结构的传输和反射特性。图6给出了仿真和实验吸收率随频率变化的比较。实验结果蓝曲线显示,在4.7 GHz处有一个较为明显的吸收峰,吸收率为98%,这与仿真结果符合很好。如图6中红(仿真结果)所示,可以看到在以上吸收峰处吸收率为96%。从仿真结果都可以看到,在6.8 GHz处存在一个吸收峰,但实验中却不存在。分析实验数据可以看出,实测与仿真在低频复合地较好,却在高频处差异较大,且频率越高差异越大,这可能是因为所使用的SMA接头性能不良,在高频处反射增大,导致实验测得的吸收率比仿真的大,我们将在后面的实验中改进接头类型和焊接方法以提高实验准确性。
图5 实验电路图
图6 实验结果与仿真结果对比图
4 结语
本文利用CST软件设计与仿真的方法,在理论上设计了一种工作于电磁波平行入射条件下的连通矩形谐振环结构单元左手材料吸波器。模拟结果表明,该吸收器图形层结构单元中金属环越多,吸收谱上的吸收峰数目也越多。研究表明,每一层金属环的引入都会增加电感和电容,进而会出现更多谐振频率使得吸收峰数量增多。采用本文结构,实现了峰值吸收率超过95%,带宽超过40%的性能,构建了宽带、高吸收平面吸波结构。
参考文献:
[1] 文永刁,尹小刚. 基于金属多环结构的多频段电磁超材料吸收器[J]. 南京航空航天大学学报,2016,48(1):67-73。.
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