入射角度不敏感的宽带超材料吸波器_马东宝.pdf

收稿日期:2023-03-06基金项目:国家自然科学基金青年科学基金(62004021)通信作者:王子兰,副教授,博士,主要从事光电器件的性能表征和缺陷研究工作。E-mail:wangzilan 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023入射角度不敏感的宽带超材料吸波器马东宝,王子兰(大连理工大学 光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024)摘 要:微波宽带超材料吸波器可以实现武器装备的隐身,对现代化战争有着十分重要的意义。针对目前宽带吸波器入射角度不敏感性仍需要提升的问题,提出了一种在磁性介质表面制备超表面结构的宽带超材料吸波器结构。结构由周期性金属结构层、磁性介质层、金属反射底板层三层结构结合而成。仿真结果表明,在 815 GHz(相对带宽为 61%)频带内,吸波器结构实现了 90%以上的吸收率。当电磁波斜入射时仍具有良好的吸收性能,尤其在横磁模式下,当入射角为 60时,在 815 GHz 频率范围内,吸收率仍能保持 90%以上,表现出了优异的广角吸收特性。所提出的吸波器结构满足目前对超材料“薄,宽,轻,强”的要求,在军事和工程领域有一定应用价值。关键词:超材料;宽带;吸波器;磁性材料;广角中图分类号:O441文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.0106引用格式:马东宝,王子兰.入射角度不敏感的宽带超材料吸波器 J.电子元件与材料,2023,42(5):592-597.Reference format:MA Dongbao,WANG Zilan.A broadband metamaterial absorber with angle insensitivity J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):592-597.A broadband metamaterial absorber with angle insensitivityMA Dongbao,WANG Zilan(School of Optoelectronic Engineering and Instrumentation Science,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China)Abstract:Microwave broadband metamaterial absorbers play a critical role in achieving stealth for the military equipment inmodern warfare.To address the problem of the current broadband absorbers insensitivity to the incident angle,a novelstructure of a broadband metamaterial absorber with a metasurface on a magnetic dielectric surface was proposed.The structureconsists of three layers:a periodic metal structure layer,a magnetic medium layer,and a metal reflector layer.The simulationresults demonstrate that an absorption rate of over 90%is achieved in the frequency range of 8-15 GHz(relative bandwidthof 61%).The absorber still exhibits good absorption performance when the electromagnetic wave is obliquely incident,especially under the transverse magnetic mode.and the absorption rate can still be maintained at over 90%at an incident angleof 60 degree in the frequency range of 8-15 GHz,demonstrating excellent wide-angle absorption characteristics.Theproposed absorber structure meets the requirements of thin,wide,light,and strong for the metamaterials,and has certainapplication value in the military and engineering fields.Keywords:metamaterial;broadband;absorber;magnetic material;wide angle 超材料是一种亚波长单元结构呈周期性排列的人工复合材料,通过改变单元结构参数可以实现介电常数和磁导率的调控,具备一些自然界中天然材料所不具备的超常物理特性1-2,广泛应用于军事和各种工程领域,如电磁隐身3、传感4-6等。2008 年,Landy等7首次提出超材料吸波器的概念,将开口环与微带马东宝,等:入射角度不敏感的宽带超材料吸波器线结构置于介质层两侧,在 11.48 GHz 处实现完美吸波,吸收率接近 100%。但吸波频率过窄,在很大程度上限制了它的应用。此后,超材料吸波技术得到快速的发展,逐渐在红外8、可见光9、太赫兹10波段中引入了超材料的概念。为了拓宽吸波带宽,研究人员做了大量工作,例如采用多频响应、引入阻性单元、加载集总电阻等。其中多频响应11-12是将不同结构多层叠加,通过不同结构单元谐振频率的叠加实现宽带吸收,缺点是吸波器的厚度会显著增加,重量也随之增加。引入阻性单元13-14拓宽吸波带宽是将表面金属谐振结构使用阻性材料代替。加载集总电阻15-16则是在表面金属结构中引入集总电阻等阻性元器件来拓宽吸波频带,缺点是引入的元器件限制了单元结构的尺寸,同时增加了对电磁波入射角度的敏感性。目前,超材料宽带吸波仍是研究热点之一。通常,宽带超材料吸波器在特定或给定频率范围内有着高吸收率,因此,反射和传输都达到最小,通过阻抗匹配可以获得反射和传输的最小值17。理想中的吸波器是期望它能够对电磁波的极化和入射角度不敏感,即对任何极化和入射角度的电磁波在特定频率范围内都保持高吸收率。然而,TE 和 TM 两种极化模式电磁波的自由空间波阻抗随着入射角度的增加两极分化,尤其在广角入射下,结构的等效阻抗很难与两者都有着良好的匹配。如何在特定频率范围内对不同入射角度的电磁波保持良好的吸收,是设计宽带超材料吸波器的难点之一。2018 年,Shi 等18通过在 FR4 基底上堆叠圆环形铁磁贴片,在 1021 GHz 频率范围内实现了 90%以上的吸收,整体厚度为1.78 mm,并且在45的入射角度下仍可以保持80%以上的吸收率。2019 年,Tuan 等19提出结合半月形谐振器与内圆谐振器结构,实现了 3.958.02 GHz 频率范围内的宽带吸波,厚度为 4.27 mm,在入射角度小于 40 时吸收率大于 70%。2021 年,Abdulkarim 等20通过将水封装在 SiO2基板和 PLA 之间,在 10.430 GHz 频段内该结构实现了 90%以上的吸收效果,厚度为 4.815 mm,结构具有良好的广角入射特性与温度不敏感特性。上述研究成果在广角入射下能够保持良好的吸收效果,但结构相对复杂或厚度较厚,在实际应用中存在一定限制。本文基于磁性介质,提出一种结构简单、极化与入射角度不敏感的宽带超材料吸波器结构。其中磁性介质为 CIPs(由羰基铁粉、环氧树脂和固化剂按照一定比例混合而成),具有优越的磁性稳定性能。电磁波正入射时,吸波器结构在 8 15 GHz(相对带宽为61%)频率范围内吸收率达到 90%以上。不同极化角度下吸波器的吸收谱线几乎完全重合。在入射角度变化时,对 TE 和 TM 极化模式的电磁波均保持优异的吸收性能(90%),其中 TE 模式入射角度范围为 0 40,TM 模式为 0 60,相比于早期报道的吸波器21-23,入射角度的稳定性有着一定的提高,尤其在 TM 极化模式下。所提出的吸波器结构简单,由磁性材料、上表面类十字金属铜结构以及底部金属铜板组成,对于极化与入射角度不敏感的宽带吸波器设计具有一定参考价值。1 结构设计及原理超材料吸波器的单元结构示意图如图 1 所示。顶层类十字结构由金属铜制成,厚度为 0.018 mm。结构为中心对称,使得电磁波极化角度对结构吸收率的影响最小。底层为厚 0.018 mm 的金属铜板,铜板厚度大于微波频段的趋肤深度,可以避免电磁波能量透过结构传输。两层金属结构之间为厚度 2 mm 的 CIPs 磁性材料。一束波矢量为 k 的平面波以 角度入射到结构表面,其中 为波矢量与结构表面法线的夹角,E和 H 分 别 代 表 电 场 和 磁 场。通 过 CST MicrowaveStudio 软件对结构进行数值仿真计算,经过多次结构参数扫描仿真优化后,得到最终结构的几何参数为:p=10 mm,h=2 mm,a=1.2 mm,b=0.4 mm,c=3.6 mm。图 1 超材料吸波器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of metamaterial absorber理想情况下,对于完美吸波器,其反射率和透射率为零。吸波器的吸收率可以通过反射率 R()和透射率 T()计算得到24:395电子元件与材料A()=1-R()-T()=1-S11()2-S21()2(1)式中:S11()为吸波器的反射系数;S21()为吸波器的透波系数。由于吸波器最底层结构为金属铜板,使得电磁波无法通过,透波率几乎为零,因此吸收率可以表示为:A()=1-R()(2)基于阻抗匹配理论,通过优化调整超材料吸波器的单元结构参数,使之与自由空间的波阻抗相匹配,当吸波器的相对阻抗 Z=1 时,可以实现接近 100%的吸收。结 构 的 等 效 复 阻 抗 可 以 通 过 S 参 数 计 算得到25:Z=1+S11()2-S221()1-S11()2-S221()(3)由式(3)可知,对于理想的超材料吸波器,在吸波频率处,等效复阻抗的实部值为 1,虚部值为 0。超材料吸波器的等效阻抗会受到材料的介电常数和磁导率的影响,通过磁性材料介质与超材料结构的结合可以在宽频带范围内实现良好的阻抗匹配。如图 2 所示,为超材料吸波器等效阻抗的实部和虚部随频率变化的曲线,从图中可以观察到,在 815 GHz 频率范围内,吸波器等效阻抗的实部和虚部分别在 1 和 0 附近,说明吸波器结构在该频段范围内与自由空间波阻抗存在良好的匹配。图 2 超材料吸波器的等效阻抗Fig.2 Equivalent impedance of metamaterial absorber2 仿真结果与分析根据上述理论,采用有限元积分的方法(CSTMicrowave Studio)对超材料吸波器结构的 S 参数进行相关仿真计算,仿真结果如图 3 所示,=0 时,即电磁波垂直入射,吸波器结构在 815 GHz 频率范围内的吸收率达到 90%以上,同时在 9.05 GHz 和 12.75GHz 处出现明显的吸收峰,吸收率分别 为 99.3%和 96.5%。图 3 超材料吸收器的吸收谱线Fig.3 Absorption spectrum of metamaterial absorber为进一步研究吸波器的吸波机理,对 TE 极化模式下 9.05 GHz 和 12.75 GHz 两个谐振频点处的电场和表面电流分布进行仿真分析。仿真结果如图 4(a)和(b)所示,电场主要集中在表面类十字结构左右边缘外侧,电荷累积所导致的电场分布表明吸波器中存在偶极子谐振。图 4(c,e)与图 4(d,f)分别为 9.05GHz 和 12.75 GHz 两个频点、吸波器结构上下表面的表面电流分布。在 9.05 GHz 频点处,结构上下表面电流方向相同,在 12.75 GHz 频点处,上下表面的中间位置的电流方向相反。以上现象表明,低频处吸波的主要原因是电谐振被激发,高频处吸波主要源于强磁谐振被激发,从而使得电磁波能量被束缚在吸波体的内部,通过介电损耗和磁损耗将电磁波的能量转换成热量损耗掉,以达到宽带吸波的目的。图 5 为正入射时,吸收率曲线随极化角度变化的曲线。如图所示,随着极化角度的变化,吸波器的吸收率曲线几乎完全重合,在 8 15 GHz 频率范围内,吸收率始终保持在 90%以上。主要原因是本文所设计的超材料吸波结构具有中心旋转对称性,因此表现出良好的极化不敏感特性。495马东宝,等:入射角度不敏感的宽带超材料吸波器图 4 超材料吸波器的电场分布和表面电流分布。(a)9.05 GHz 电场分布;(b)12.75 GHz 电场分布;(c)9.05 GHz 上表面电流分布;(d)12.75 GHz 上表面电流分布;(e)9.05 GHz 下表面电流分布;(f)12.75 GHz 下表面电流分布Fig.4 Electric field and surface current distributions of metamaterialabsorber.Electric field distribution at(a)9.05 GHz and(b)12.75 GHz;Surface current distribution at the top surface at(c)9.05 GHzand(d)12.75 GHz;Surface current distribution at thebottom surface at(e)9.05 GHz and(f)12.75 GHz图 5 不同极化角度下吸波器吸收谱线Fig.5 Absorption spectra of absorber fordifferent polarization angles为了验证吸波器结构对入射角度同样具有良好的稳定性,本文通过模拟仿真研究了电磁波斜入射时吸波器的吸收性能,结果如图 6 所示,为 TE 和 TM 极化模式下电磁波在不同入射角度时超材料吸波器的吸收率变化曲线。TE 极化模式下,电磁波入射角度在 40以内时,在 815 GHz 频率范围内吸收率保持在 90%左右,当入射角度达到 60 时,吸收率明显下降到70%左右,但仍具有良好的吸波效果。TM 极化模式下,当电磁波入射角度达到 60时,在 815 GHz 频段内超材料吸波器仍能保持 90%以上的吸收率。这是由于,随着电磁波入射角度的变化,TE 和 TM 极化模式的电磁波沿着超材料吸波器表面的电磁场分量不同所导致。TE 极化模式下,电场分量始终平行于吸波器表面,而磁场分量随着入射角度的增加,平行于吸波器表面的分量逐渐减小。TM 模式与之相反,磁场分量始终平行于吸波器表面,而电场分量随着入射角度的增加逐渐减小。所设计的超材料吸波器结构中间介质为磁性材料,TM 模式下,平行吸波器表面的电场强度分量随着电磁波入射角度的增加而减小,而吸波器的吸波性能对电场的变化不敏感,TE 模式下,平行于吸波器表面的磁场强度分量随入射角度的增加而减小,而吸波器的吸波性能受磁场影响较大,因此 TE 模式下吸波性能随着入射角度增加下降更为明显。但是总体上,所设计的吸波器结构对入射角度具有良好的稳定性,在入射角度的变化过程中仍能保持良好的吸收效果,具有优异的广角吸收性能。图 6 不同入射角度下吸波器的吸收谱线。(a)TE 极化;(b)TM 极化Fig.6 Absorption spectrum of absorber for different incidenceangles.(a)TE polarization;(b)TM polarization为了验证上述结果的有效性,采用 COMSOL 仿真软件对电磁波斜入射时,对吸波器的吸收性能进行了595电子元件与材料仿真计算,结果如图 7 所示。随电磁波入射角度变化的吸收率曲线的结果与通过 CST 仿真所得到的结果相同,证明上述结论是准确且有效的。图 7 不同入射角度下吸波器的吸收谱线(COMSOL)。(a)TE 极化;(b)TM 极化Fig.7 Absorption spectra of absorber for different incidenceangles(COMSOL).(a)TE polarization;(b)TM polarization由上述结论可知,电磁波入射角度相对于结构变化时,吸收率也会随之变化。为了进一步理解这种变化,利用仿真计算 815 GHz 频率范围,TE 极化模式下电磁波在不同入射角度时相对阻抗的实部值和虚部值,结果如图 8 所示。当电磁波入射角度增加时,吸波器相对阻抗的实部与虚部逐渐远离 1 和 0。这种阻抗变化表明,吸波器的吸收率会逐渐降低,如图 6(a)所示。由此可知,吸收率受到电磁波入射角度的影响是由于阻抗失配引起的。虽然,样品的制造过程不是本文的工作内容,然而所提出的吸波器结构的制造相对容易。首先所引入的磁性材料可以通过将环氧树脂、固化剂和羰基铁粉按质量比 5 2 18 混合均匀后,注入模具注塑而成,CIPs 材料的电磁参数如图 9 所示。介质上下表面的金属铜结构可以通过化学沉铜或磁控溅射和电镀相结合的工艺制作。图 8 TE 模式不同入射角度下吸波器的等效阻抗。(a)实部;(b)虚部Fig.8 TE-mode equivalent impedance of absorber at differentangles of incidence.(a)Real;(b)Imaginary图 9 CIPs 材料的相对电磁参数Fig.9 Relative electromagnetic parameters of CIPs materials3 结论本文提出了一种基于磁性基底且结构简单的宽频带超材料吸波器结构,结构厚度仅为 2.036 mm,在 815 GHz 频率范围内,吸波器始终保持 90%以上的吸收率。所设计的吸波器结构为中心对称,电磁波极化695马东宝,等:入射角度不敏感的宽带超材料吸波器角度在 090范围内变化时,吸收率曲线基本保持不变,具有极化不敏感特性。当电磁波以 TM 极化模式入射且入射角度为 60时,该结构的吸收率仍可达到90%以上。相比于 TM 极化模式,TE 极化模式下吸波器的入射角度稳定性相对较弱,在 60时仅有 70%以上的吸收率。总体而言,该结构表现出稳定的吸收特性,因此具有良好的广角入射特性。引入磁性介质的吸波器结构,在薄厚度的基础上,不仅有着宽带吸收效果,且具有对极化与入射角度不敏感的吸收特性,具有“薄、宽、轻、强”的特点,符合现代技术理念,为吸波器的设计和发展提供了一个思路。参考文献:1Shalaev V M.Optical negative-index metamaterials J.NaturePhotonics,2007,1(1):41-48.2Pendry J B.Negative refraction makes a perfect lens J.PhysicalReview Letters,2000,85(18):3966.3Liu Y,Li Z,Zhang W,et al.Design and emulation of combined-shaped electromagnetic stealthy cloak made of metamaterials J.Journal of Functional Materials,2013,44(15):2235-2238.4Liu N,Mesch M,Weiss T,et al.Infrared perfect absorber and itsapplication as plasmonic sensor J.Nano Letters,2010,10(7):2342-2348.5Grant J,Escorcia Carranza I,Li C,et al.A monolithic resonantterahertz sensor element comprising a metamaterial absorber and micro bolometer J.Laser&Photonics Reviews,2013,7(6):1043-1048.6Li G,Chen X,Li O,et al.A novel plasmonic resonance sensor basedon an infrared perfect absorber J.Journal of Physics 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