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1、物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿苑愿园圆訫圆园员员 中国物理学会 悦澡蚤灶藻泽藻 孕澡赠泽蚤糟葬造 杂燥糟蚤藻贼赠摇 澡贼贼责院辕 辕 憎怎造蚤曾遭援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶园愿苑愿园圆鄄员 摇 摇 摇 摇基于电阻膜的宽频带超材料吸波体的设计鄢顾摇 超员冤摇 屈绍波员冤圆冤覮摇 裴志斌员冤摇 徐摇 卓圆冤摇 林宝勤员冤周摇 航员冤摇 柏摇 鹏猿冤摇 顾摇 巍源冤摇 彭卫东猿冤摇 马摇 华员冤员冤渊空军工程大学理学院袁西安摇 苑员园园缘员冤圆冤渊西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室袁西安摇 苑员园园源怨冤猿冤渊空军工程
2、大学综合电子信息系统与电子对抗技术研究中心袁西安摇 苑员园园缘员冤源冤渊成都理工大学工程技术学院袁乐山摇 远员源猿园园冤渊圆园员园 年 怨 月 圆怨 日收到曰圆园员员 年 猿 月 圆源 日收到修改稿冤摇 摇 基于电阻膜设计了一种宽频带尧极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体援 该吸波体的结构单元由六边形环状电阻膜结构尧介质基板和金属背板组成援 仿真得到的反射率和吸收率表明袁该吸波体在 苑郾 园要圆苑郾 缘 郧匀扎 之间对入射电磁波具有宽频带的强吸收袁证实了电路谐振相对于电磁谐振易于实现宽带吸波援 仿真得到的不同极化角和不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明袁该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性援 仿
3、真得到的基板和电阻膜对超材料吸波体吸收率的影响表明袁电阻膜结构和金属背板之间形成的电容以及电阻膜结构的电阻都存在一个最佳值袁此时电路谐振最强尧吸收带宽最大援关键词院 电阻膜袁 电路谐振袁 宽频带袁 超材料吸波体孕粤悦杂院 苑愿援圆园援 悦蚤袁 源员援圆园援 允遭鄢国家自然科学基金渊批准号院远园愿苑员园圆苑袁 远园怨园员园圆怨袁 远员园苑员园缘愿冤尧国家重点基础研究发展计划渊批准号院圆园园怨悦月远圆猿猿园远冤和陕西省自然科学基金渊批准号院杂允园愿云园员冤资助的课题援覮 通讯联系人援 耘鄄皂葬蚤造院 匝怎泽澡葬燥遭燥岳 皂葬蚤造援 曾躁贼怎援 藻凿怎援 糟灶员郾 引言电磁超材料咱员暂是指一些具有超
4、常物理性质的人工复合结构或复合材料援 根据等效媒质理论咱圆暂袁可以用等效介电常数和等效磁导率来描述超材料的电磁特性援 通过调节超材料单元的结构参数袁能够设计出具有任意等效介电常数和等效磁导率的超材料咱猿暂援 基于这种思想袁圆园园员 年 杂澡藻造遭赠 等咱源暂首次用负折射实验证实了左手材料的存在袁圆园园猿 年野完美冶平板成像咱缘暂的概念被提出来袁圆园园远 年世界上第一件野隐身衣冶咱远暂问世援 在之前的设计中袁研究人员提出了许多方法来尽量避免超材料的损耗渊例如采用增益补偿媒质咱苑暂冤袁但是超材料的损耗可能在吸波中具有潜在的应用援 圆园园愿 年袁蕴葬灶凿赠 等咱愿袁怨暂基于电磁谐振设计出野完美冶超材
5、料吸波体援 随后袁研究人员又设计出极化不敏感咱员园暂和宽入射角咱员员袁员圆暂的超材料吸波体援 虽然上述超材料吸波体具有极强的吸波能力袁但其吸波主要依赖于金属结构的电磁谐振袁因而带宽极窄援 为了拓展超材料吸波体的带宽袁加 载集总元件的宽带超材料吸波体咱员猿暂被提出来袁但其 成本过高且加工复杂援 本文基于电阻膜设计了一种宽频带尧极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体援 其主要优点是易于实现宽带吸波袁且成本低尧加工简单援 仿真结果表明袁该超材料吸波体在 苑郾 园要圆苑郾 缘郧匀扎 之间对入射电磁波具有极化不敏感和宽入射角的强吸收援圆郾 理 摇论超材料吸波体的吸收率 粤渊棕冤 可以表示为 粤渊棕冤 越 员
6、 原 砸渊棕冤 原 栽渊棕冤袁其中 砸渊棕冤 是反射率尧 栽渊棕冤 是传输率援 因为金属背板的存在袁 栽渊棕冤 越 园袁 所以吸收率仅由反射率 砸渊棕冤 决定袁反射率 砸渊棕冤 取决于超材料吸波体的 表面阻抗咱员源暂与自由空间的阻抗匹配程度援 传统的 超材料吸波体大多依赖于金属结构的电磁谐振物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿苑愿园圆园愿苑愿园圆鄄 圆 摇 摇 摇 摇渊相对于频率的变化极不稳定冤袁其表面阻抗只能在谐振频率附近极窄的频带内与自由空间阻抗匹配袁因而带宽极窄援 为了实现宽频带的超材料吸波体袁可以用电阻膜结构替代金属结构
7、袁将电磁谐振转化为电阻膜结构尧基板和金属背板之间的电路谐振援 因为电路谐振相对于频率的变化比较稳定袁其表面阻抗能在谐振频率附近很宽的频带内与自由空间阻抗匹配袁从而可以用来实现宽带吸波援猿郾 结构设计本文设计的超材料吸波体的结构单元由六边形环状电阻膜结构尧介质基板和金属背板组成袁如图 员 所示援 利用商业电磁分析软件 悦杂栽 酝蚤糟则燥憎葬增藻杂贼怎凿蚤燥 圆园园愿 对所设计的超材料吸波体进行仿真袁仿真模型如图 员渊糟冤所示援 曾鄄扎 和 赠鄄扎 平面边界设为周期性边界袁曾鄄赠 平面边界渊 垣 扎 方向冤设为端口援 优化后的超材料吸波体的结构参数如下院六边形单元的周期 责 越缘郾 缘 皂皂袁六边
8、形环状电阻膜边长 葬 越 缘 皂皂袁六边形环状电阻膜宽度 憎 越 圆 皂皂袁基板厚度 贼 越 源皂皂袁电阻膜的方块电阻 砸 越苑园 赘渊将碳黑尧水和乳液按一定比例配成乳状液体袁采用喷涂工艺制备电阻膜袁电阻膜的方块电阻可由喷涂的厚度来控制冤袁 介质基板为多孔泡沫渊着则越员冤援图 员摇 超材料吸波体的结构示意图摇 渊葬冤六边形环状电阻膜结构袁渊遭冤介质基板袁渊糟冤仿真模型袁渊凿冤阵列正视图源郾 仿真及分析利用 悦杂栽 的频域求解器袁可以计算出与频率相关的 杂 参数渊杂员员冤援 通过 砸渊棕冤 越 渣 杂员员渣圆和 粤渊棕冤 越员 原 砸渊棕冤袁 可以分别计算出超材料吸波体的反射率和吸收率袁所得结果
9、如图 圆 所示援 由图 圆 可以看出袁在 苑郾 园要圆苑郾 缘 郧匀扎 之间袁超材料吸波体的反射率小于 员园豫尧吸收率大于 怨园豫袁吸收率大于 怨园豫 的相对带宽为 员员愿郾 愿豫援 仿真结果表明袁电阻膜结构尧基板和金属背板构成的电路谐振相对于频率的变化比较稳定袁其表面阻抗能在很宽的频带内与自由空间阻抗匹配袁可以用来实现宽带吸波援另一方面袁该超材料吸波体是极化不敏感和宽入射角的袁这一点可由超材料吸波体在不同极化角和不同入射角下对横电波和横磁波的吸收率看出袁所得结果如图 猿 所示援 计算中采用了商业电磁分析软件 悦杂栽 酝蚤糟则燥憎葬增藻 杂贼怎凿蚤燥 圆园园愿 的周期性边界和频域求解器袁模数设
10、为 圆渊一个是横电模袁一个是横磁模冤援 由图 猿渊葬冤 和渊遭冤 可以看出袁对于横电 渊或横物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿苑愿园圆园愿苑愿园圆鄄 猿 摇 摇 摇 摇摇 摇 摇 摇图 圆摇 仿真得到的超材料吸波体的反射率和吸收率磁冤 波袁极化角在园毅要怨园毅变化时吸波体的吸收率变化非常小袁表明该吸波体具有极化不敏感特性援 由图猿渊糟冤和渊凿冤可以看出袁在苑郾 园要圆苑郾 缘 郧匀扎 之间袁横电波在入射角小于 源缘毅时吸波体的吸收率无明显变化袁横磁波在入射角小于 猿缘毅时吸波体的吸收率无明显变化袁表明该吸波体具有宽入射角特性援
11、进一步研究了基板的介电常数尧厚度与电阻膜的方块电阻尧宽度等因素对超材料吸波体吸收率的影响袁所得结果如图 源 所示援 由图 源渊葬冤可以看出袁随着基板介电常数 着则的增大袁吸收频带的高频部分逐渐缩小尧低频部分基本不变援 由图 源渊遭冤可以看出袁随着基板厚度 贼 的逐渐增大袁吸收频带的高频部分逐渐减小尧低频部分变化不大援 仿真结果表明袁电阻膜结构和金属背板之间形成的电容达到一个最佳值时袁电路谐振达到最强袁吸收带宽最大援 由图 源渊糟冤可摇 摇 摇 摇图 猿摇 仿真得到的超材料吸波体在不同极化角和不同入射角下的吸收率摇渊葬冤不同极化角下超材料吸波体对横电波的吸收率袁渊遭冤不同极化角下超材料吸波体对横
12、磁波的吸收率袁渊糟冤不同入射角下超材料吸波体对横电波的吸收率袁渊凿冤不同入射角下超材料吸波体对横磁波的吸收率物 理 学 报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿苑愿园圆园愿苑愿园圆鄄 源 摇 摇 摇 摇图源摇 仿真得到不同条件下超材料吸波体的吸收率摇 渊葬冤采用不同介电常数的基板袁渊遭冤采用不同厚度的基板袁渊糟冤采用不同方块电阻的电阻膜袁渊凿冤采用不同宽度的电阻膜以看出袁随着电阻膜方块电阻 砸 的增大袁怨园豫 的吸收带宽先增大尧后减少援 由图 源渊凿冤可以看出袁随着电阻膜宽度 憎 的增大袁怨园豫 的吸收带宽先增大尧后减少援 仿真结果表明袁电阻膜
13、形成的电阻也存在一个最佳值袁此时电路谐振最强尧吸收带宽最大援缘郾 结 摇论本文基于电阻膜设计了一种宽频带尧极化不敏感和宽入射角的超材料吸波体援 仿真得到的超材料吸波体的反射率和吸收率表明袁电阻膜结构尧基板和金属背板构成的电路谐振相对于频率的变化比较稳定袁其表面阻抗能在很宽的频带内与自由空间阻抗匹配袁可以用来实现宽带吸波援 仿真得到的不同极化角和不同入射角下超材料吸波体的吸收率表明袁该吸波体具有极化不敏感和宽入射角特性援仿真得到的基板和电阻膜对超材料吸波体吸收率的影响表明袁电阻膜结构和金属背板之间形成的电容以及电阻膜结构的电阻都存在一个最佳值袁此时电路谐振最强尧吸收带宽最大援物 理 学 报摇 粤
14、糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿苑愿园圆园愿苑愿园圆鄄 缘 摇 摇 摇 摇咱员暂悦葬造燥扎悦袁陨贼燥澡栽圆园园远耘造藻糟贼则燥皂葬早灶藻贼蚤糟酝藻贼葬皂葬贼藻则蚤葬造泽院栽则葬灶泽皂蚤泽泽蚤燥灶 蕴蚤灶藻栽澡藻燥则赠葬灶凿酝蚤糟则燥憎葬增藻粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽院栽澡藻耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 粤责责则燥葬糟澡 渊晕藻憎 允藻则泽藻赠院 允燥澡灶 宰蚤造藻赠 驭 杂燥灶泽袁 陨灶糟援 冤责责圆袁猿咱圆暂杂皂蚤贼澡 阅 砸袁孕藻灶凿则赠 允 月 圆园园远 允援 韵责贼援 杂燥糟援 粤皂援 月 圆猿 猿怨员咱猿暂悦澡藻灶 载 阅袁 郧则扎藻早燥则糟
15、扎赠噪 栽 酝袁 宰怎 月 陨袁 孕葬糟澡藻糟燥 允 允袁 运燥灶早 允 粤圆园园源 孕澡赠泽援 砸藻增援 耘 苑园 园员远远园愿咱源暂杂澡藻造遭赠 砸 粤袁 杂皂蚤贼澡 阅 砸袁 杂糟澡怎造贼扎 杂 圆园园员 杂糟蚤藻灶糟藻 圆怨圆 苑苑咱缘暂杂皂蚤贼澡 阅 砸袁 杂糟澡怎则蚤早 阅袁 砸燥泽藻灶遭造怎贼澡 酝袁 杂糟澡怎造贼扎 杂袁 砸葬皂葬噪则蚤泽澡灶葬杂 粤袁 孕藻灶凿则赠 允 月 圆园园猿 粤责责造援 孕澡赠泽援 蕴藻贼贼援 愿圆 员缘园远咱远暂杂糟澡怎则蚤早 阅袁 酝燥糟噪 允 允袁 允怎泽贼蚤糟藻 月 允袁 悦怎皂皂藻则 杂 粤袁 孕藻灶凿则赠 允 月袁杂贼葬则则 粤 云袁 杂皂
16、蚤贼澡 阅 砸 圆园园远 杂糟蚤藻灶糟藻 猿员源 怨苑苑咱苑暂郧燥增赠葬凿蚤灶燥增 粤 粤袁 孕燥凿燥造泽噪蚤赠 灾 粤袁 晕燥早蚤灶燥增 粤 圆园园苑 粤责责造援 孕澡赠泽援蕴藻贼贼援 怨员 员怨员员园猿咱愿暂蕴葬灶凿赠 晕 陨袁 杂葬躁怎赠蚤早遭藻 杂袁 酝燥糟噪 允 允袁 杂皂蚤贼澡 阅 砸袁 孕葬凿蚤造造葬 宰 允摇 摇 摇 摇圆园园愿 孕澡赠泽援 砸藻增援 蕴藻贼贼援 员园园 圆园苑源园圆咱怨暂栽葬燥 匀袁 蕴葬灶凿赠 晕 陨袁 月蚤灶早澡葬皂 悦 酝袁 在澡葬灶早 载袁 粤增藻则蚤贼贼 砸 阅袁孕葬凿蚤造造葬 宰 允 圆园园愿 韵责贼援 耘曾责则藻泽泽 员远 苑员愿员咱员园暂蕴葬灶凿赠 晕 陨袁 月蚤灶早澡葬皂 悦 酝袁 栽赠造藻则 栽袁 允燥噪藻则泽贼 晕袁 杂皂蚤贼澡 阅 砸袁孕葬凿蚤造造葬 宰 允 圆园园怨 孕澡赠泽援 砸藻增援 月 苑怨 员圆缘员园源咱员员暂栽葬燥 匀袁 月蚤灶早澡葬皂 悦 酝袁 杂贼则蚤噪憎藻则凿葬 粤 悦袁 孕蚤造燥灶 阅袁 杂澡则藻噪藻灶澡葬皂藻则阅袁 蕴葬灶凿赠 晕 陨袁 云葬灶 运袁 在澡葬灶早 载袁 孕葬凿蚤造造葬 宰 允袁 粤增藻则蚤贼
