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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 猿 渊圆园员员冤摇 园猿苑愿园员訫圆园员员 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 糟灶园猿苑愿园员鄄员 摇 摇 摇 摇准全向平板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 刘摇 嘉员冤摇 顾摇 巍猿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成都理工大学工程技术学院计科系袁乐山摇 远员源猿园园冤渊圆园员园 年 源
2、 月 员远 日收到曰圆园员园 年 远 月 员源 日收到修改稿冤摇 摇 本文设计了一种具有准全向吸波特性的平板超材料吸波体袁其准全向吸波特性是由超材料吸波单元的双面吸波尧极化不敏感和宽入射角实现的援 理论分析和仿真结果表明院该吸波体在 远郾 员愿 郧匀扎 的确有一个双面吸波的吸收点袁且吸收率对极化角和入射角均不敏感援 提取的等效阻抗表明可以调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由空间阻抗匹配来抑制反射援 仿真的能量损耗分布表明院该吸波体对电磁波的吸收主要源于基板的介质损耗曰采用两种不同介质基板的设计可使前吸波体与后吸波体的耦合度明显降低尧抑制耦合所导致的传输援 该吸波体可能在许多领域具有广泛的
3、应用援关键词院 准全向吸波袁 双面吸波袁 极化不敏感袁 宽入射角孕粤悦杂院 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袁国家重点基础研究发展计划渊批准号院圆园园怨悦月远员猿猿园远冤资助的课题援覮 通讯联系人援 耘鄄皂葬蚤造院 择怎泽澡葬燥遭燥岳 皂葬蚤造援 曾躁贼怎援 藻凿怎援 糟灶员郾 引言利用电磁超材料袁科学家们实现了诸如负折 射咱员袁圆暂和野隐身衣冶咱猿暂等许多奇异的物理现象援 这些现象的实现有赖于超材料经电磁辐射后可产生独立可调的电响应咱源暂和磁响应咱缘暂的能力援 改变电磁超 材料的几何尺度袁可以将其拓
4、展到许多频段援 目前袁超材料已在无线电咱远暂尧微波咱苑袁愿暂尧毫米波咱怨暂尧太赫 兹咱员园暂尧中红外咱员员暂尧近红外咱员圆暂尧近可见光咱员猿暂等频段被实现援 电磁超材料不仅可以用来研究一些新异物理现象袁还有着极为广阔的潜在应用价值援最近袁基于电磁谐振的超材料吸波体的设计引起了科学界的极大关注咱员源要员苑暂援 通过调节超材料的几 何尺度袁蕴葬灶凿赠 等人咱员源暂在 郧匀扎 频段实现了吸收率接 近员园园豫的野完美冶吸波体援 在 栽匀扎 频段袁几种超材料吸波体已经被实现咱员缘要员苑暂援 上述超材料吸波体一般是由电开口谐振子和金属线渊或金属板冤构成的袁这种结构决定了其具有单面吸波尧极化敏感和窄入射角等
5、缺陷援 虽然具有全方向吸波特性的吸波体具有巨大的应用前景袁但是目前在各类文献中尚鲜见报道援在本文中袁提出了一种具有准全向吸波特性的平板超材料吸波体袁其准全向吸波特性是由超材料吸波单元的双面吸波尧极化不敏感和宽入射角实现的援 理论分析和仿真结果表明院该吸波体在 远郾 员愿郧匀扎 的确有一个双面吸波的吸收点袁且吸收率对极化角和入射角均不敏感援圆援 结构设计与吸收率仿真本文设计的超材料吸波体的结构单元由三个 金属方环渊图 员渊葬冤袁渊遭冤和渊糟冤冤和两块介质基板组成援 电响应由同平面上金属方环之间的耦合提供援磁响应由平行平面上金属方环之间的耦合提供袁平行金属方环之间是两种不同的介质基板袁如图 员渊凿
6、冤 所示援 磁响应的这种设计类似于平行金属线咱员员暂袁基 板两侧的金属方环可以产生反向平行电流袁从而激发出磁响应援 可以通过改变各金属方环的尺寸和各介质基板的厚度来实现对电磁响应的调节援 正向入射的情况下袁前环尧中环和前介质基板构成前吸波体曰而反向入射的情况下袁后环尧中环和后介质基板构成后吸波体援 若平行金属方环之间采用同种介质物 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 猿 渊圆园员员冤摇 园猿苑愿园员园猿苑愿园员鄄圆 摇 摇 摇 摇基板袁前吸波体和后吸波体之间的相互耦合会使传输明显增大尧吸波效果变差袁且正向入射和反向入射的谐振频率不易调节重合援 采用两种不同
7、介质基板的设计袁不仅能使前吸波体与后吸波体的耦合度明显降低尧抑制耦合所导致的传输袁还易于调节正向入射和反向入射的谐振频率使其重合援 要实现吸收频率处的高吸收袁还要同时抑制反射袁可以通过调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由图 员摇 超材料吸波单元结构示意图摇 渊葬冤前环曰渊遭冤中环曰渊糟冤后环曰渊凿冤单元空间阻抗匹配来实现援摇 摇 利用商业时域有限差分求解器渊悦杂栽 酝蚤糟则燥憎葬增藻杂贼怎凿蚤燥 圆园园愿冤对所设计的超材料吸波体进行仿真援 仿真模型如图 员渊凿冤所示袁载在 平面边界设为完美电导体袁再在 平面边界设为完美磁导体袁载再 平面边界设为两端口渊 原 在 边界记为端口 员袁 垣 在
8、 边界记为端口圆冤援 经 悦杂栽 优化后的超材料吸波单元的结构参数为院葬员越 远郾 员愿袁 遭员越 缘郾 苑远袁 憎员越 园郾 圆袁 遭圆越 远袁 憎圆越园郾 猿袁 遭猿越远郾 园苑袁 憎猿越 园郾 圆渊皂皂冤袁如图 员渊葬冤袁渊遭冤和渊糟冤所示援 前介质基板厚度为园郾 愿 皂皂渊着则越 源郾 怨袁贼凿越园郾 园圆缘冤曰后介质基板厚度为 园援 愿 皂皂渊着则越 圆郾 远缘袁贼凿越园郾 园圆缘冤曰覆铜厚度为 园郾 园员苑 皂皂援 通过仿真得到的 杂参数渊杂员员袁杂圆员袁杂圆圆袁杂员圆冤袁 可以由 砸员渊棕冤 越杂员员圆袁砸圆渊棕冤 越杂圆圆圆和 栽 员渊棕冤 越杂圆员圆袁栽 圆渊棕冤 越杂员圆圆
9、计算出反射率与传输率袁从而可以得到与频率相关的吸收率 粤员渊棕冤 越 员 原 砸员原 栽员袁粤圆渊棕冤 越 员 原 砸圆原栽圆袁 如图 圆 所示援由图 圆 可见袁当波沿 在 轴正向入射时袁在 远郾 员愿郧匀扎 有一个吸收率为 粤员渊远郾 员愿冤 越 怨猿郾 圆豫 的吸收图 圆摇 仿真的超材料吸波体的反射率尧传输率和吸收率峰袁吸收带宽 渊 吸收率大于 缘园豫 的带宽冤 为 猿远园酝匀扎援 当波沿 在 轴负向入射时袁在 远郾 员愿 郧匀扎 有一个吸收率为 粤圆渊远郾 员愿冤 越 怨怨郾 远豫 的吸收峰袁吸收带宽为 圆愿愿 酝匀扎援 在 远郾 员愿 郧匀扎 传输没有明显增大袁其原因是两种不同介质基板
10、的设计有效抑制了前尧后吸波体之间的相互耦合援 以上仿真结果证实了该超材料吸波体的确具有双面吸波特性援物 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 猿 渊圆园员员冤摇 园猿苑愿园员园猿苑愿园员鄄猿 摇 摇 摇 摇图 猿摇 仿真的不同极化角下的吸收率摇渊葬冤波沿 在 轴正向入射曰渊遭冤波沿 在 轴负向入射援 仿真的不同入射角下的吸收率院渊糟冤波沿 在 轴正向入射曰渊凿冤波沿 在 轴负向入射图 源摇 等效阻抗摇 渊葬冤波沿 在 轴正向入射曰渊遭冤波沿 在 轴负向入射摇 摇 另一方面袁该超材料吸波结构是极化和入射不敏感的袁这一点可由不同极化角和入射角下波沿 在轴正向入射
11、和负向入射的吸收率看出袁如图 猿 所示援由图 猿渊葬冤和渊遭冤可见袁当极化角在 园毅要怨园毅变化时吸收峰附近的吸收率基本不变袁说明在吸收峰附近该结构是极化不敏感的援 由图 猿渊糟冤和渊凿冤可见袁当入射角在 园毅要苑缘毅变化时吸收频点发生了小偏移袁但吸收率没有明显变化袁说明在吸收峰附近该结构对入射角不敏感援猿援 等效阻抗与能量损耗分布由仿真的 杂 参数可以提取材料的等效阻抗袁如图 源 所示援 由图 源渊葬冤可见袁在 远郾 员愿 郧匀扎 等效阻抗的物 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 猿 渊圆园员员冤摇 园猿苑愿园员园猿苑愿园员鄄源 摇 摇 摇 摇实部是 员
12、郾 远愿袁这解释了图 圆 中 远郾 员愿 郧匀扎 波沿 在 轴正向入射时少量反射存在的原因援 由图 源渊遭冤可见袁在 远郾 员愿 郧匀扎 等效阻抗的实部是 员郾 园缘袁这解释了图 圆中 远郾 员愿 郧匀扎 波沿 在 轴负向入射时反射几乎为零的原因援 以上结果表明可以调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由空间阻抗匹配来抑制反射援利用 悦杂栽 的场记录功能袁可以得到超材料吸波体在 远郾 员愿 郧匀扎 的能量损耗分布援 由图缘 能量损耗分图 缘摇 在 远郾 员愿 郧匀扎 超材料吸波体的能量损耗分布侧视图摇渊葬冤波沿 在 轴正向入射曰渊遭冤波沿 在 轴负向入射布的侧视图可见院波沿 在 轴正向入射时
13、 粤员渊棕冤 主要源于前介质基板的介质损耗渊图 缘渊葬冤冤曰波沿 在 轴负向入射时 粤圆渊棕冤 主要源于后介质基板的介质损耗渊图 缘渊遭冤冤援 这不仅说明了在超材料吸波体中基板的介质损耗起主导作用渊金属的电阻热损耗基本上可以忽略不计冤袁还进一步证明采用两种介质基板的设计能够有效地抑制前尧后吸波体之间的相互耦合援源援 结 摇论本文提出了一种具有双面吸波尧极化不敏感和宽入射角特性的超材料吸波体援 仿真的不同极化角和入射角下的吸收率验证了其极化不敏感和宽入射角特性援 提取的等效阻抗表明可以调节超材料的电磁响应使其在吸收频率处与自由空间阻抗匹配来抑制反射援 仿真的能量损耗分布表明院该吸波体对电磁波的吸
14、收主要源于基板的介质损耗曰采用两种介质基板的设计能够有效地抑制前尧后吸波体之间的相互耦合援 通过改变超材料的几何尺度袁可以将我们的设计拓展到许多频段袁 例如 栽匀扎 或低频区援咱员暂灾藻泽藻造葬早燥 灾 郧 员怨远愿 杂燥增援 孕澡赠泽援 哉泽责援 员园 缘园怨咱圆暂杂澡藻造遭赠 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 苑苑咱猿暂杂糟澡怎则蚤早 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 杂皂蚤贼澡 阅 砸 圆园园远 杂糟蚤藻灶糟藻 猿员源 怨苑苑咱源暂孕藻灶凿则赠 允 月
15、袁 匀燥造凿藻灶 粤 允袁 杂贼藻憎葬则贼 宰 允袁 再燥怎灶早泽 陨 员怨怨远 孕澡赠泽援砸藻增援 蕴藻贼贼援 苑远 源苑苑猿咱缘暂孕藻灶凿则赠 允 月袁 匀燥造凿藻灶 粤 允袁 砸燥遭遭蚤灶泽 阅 允袁 杂贼藻憎葬则贼 宰允 员怨怨怨 陨耘耘耘栽则葬灶泽援 酝蚤糟则燥憎葬增藻 栽澡藻燥则赠 栽藻糟澡援 源苑 圆园苑缘咱远暂宰蚤造贼泽澡蚤则藻 酝 悦 运袁 孕藻灶凿则赠 允 月袁 再燥怎灶早 陨 砸袁 蕴葬则噪皂葬灶 阅 允袁郧蚤造凿藻则凿葬造藻 阅 允袁 匀葬躁灶葬造 允 灾 圆园园员 杂糟蚤藻灶糟藻 圆怨员 愿源怨咱苑暂杂皂蚤贼澡 阅 砸袁 孕葬凿蚤造造葬 宰 允袁 灾蚤藻则 阅 悦袁
16、晕藻皂葬贼鄄晕葬泽泽藻则 杂 悦袁 杂糟澡怎造贼扎杂 圆园园园 孕澡赠泽援 砸藻增援 蕴藻贼贼援 愿源 源员愿源咱愿暂在澡葬灶早 杂袁 匝怎 杂 月袁 酝葬 匀袁 载蚤藻 云袁 载怎 在 圆园园怨 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 缘愿猿怨远员 渊蚤灶 悦澡蚤灶藻泽藻冤 咱张摇 松尧屈绍波尧马摇 华尧谢摇峰尧徐摇卓圆园园怨 物理学报 缘愿 猿怨远员暂咱怨暂郧燥噪噪葬增葬泽 酝袁 郧怎增藻灶 运袁 月怎造怎 陨袁 粤赠凿蚤灶 运袁 孕藻灶糟蚤怎 砸 杂袁 运葬枣藻泽葬噪蚤酝袁 杂燥怎噪燥怎造蚤泽 悦 酝袁 韵扎遭葬赠 耘 圆园园远 孕澡赠泽援 砸藻增援 月 苑猿 员怨猿员园猿咱员园暂再藻灶 栽 允袁 孕葬凿蚤造造葬 宰 允袁 云葬灶早 晕袁 灾蚤藻则 阅 悦袁 杂皂蚤贼澡 阅 砸袁 孕藻灶凿则赠 允月袁 月葬泽燥增 阅 晕袁 在澡葬灶早 载 圆园园源 杂糟蚤藻灶糟藻 猿园猿 员源怨源咱员员暂蕴蚤灶凿藻灶 杂袁 耘灶噪则蚤糟澡 悦袁 宰藻早藻灶藻则 酝袁 在澡燥怎 允 云袁 运燥泽糟澡灶赠 栽袁杂燥怎噪燥怎造蚤泽 悦 酝 圆园园源 杂糟蚤藻灶糟藻 猿园远 员猿缘员咱员圆暂在澡葬灶早 杂袁 云
