设计了一种Wide-angleï¼Â宽带和极化不敏感的超材料吸收器

收到:2018年3月16日;接受:2018年5月22日;发表:2018年5月29日

引用:杨毅，宋勇，范松。一种广角、宽频和偏振不敏感超材料吸收器的设计。物理学报。2018;6 (2): 48

摘要

提出了一种基于电阻膜结构的超材料减振器。在电磁波入射角不超过45°的情况下，该超材料吸波器可在3 GHz以上的频率范围内实现99%以上的完美吸收率，90%以上的吸收率可完全覆盖Ku-和k波段，同时具有wide-angleï¼的宽频和极化不敏感的吸波性能。

关键字

超材料吸收器;电阻膜结构

简介

超材料是通过人工合成而获得的具有非凡电磁和光学特性的结构材料[1，2］．它们在物理领域如材料科学、电磁学、光学［3.]在工程领域也有广泛的应用[4］．随着电磁辐射污染的日益严重，研究抑制电磁辐射污染的超材料吸收体已成为国内外研究的热点。

Yang提出了一种由超材料和磁性材料组成的吸收体[5］．虽然通过电磁耦合技术实现了吸收体的超薄设计，但仍然存在吸收峰为低而且带宽很窄。Li提出了一种多频超材料吸收器，可以在四个频率上实现完美吸收[6，但事实确实如此低其他频率的电磁波吸收。

本文提出了一种基于树枝状电阻膜的多介质层超材料吸收器。该吸波器能实现对特定频段电磁波的完美吸收，具有广角、宽频带和极化不敏感的吸收性能。

材料与方法

超材料减振器设计

一般来说，电磁波吸收是波转化为热能的过程，这就要求电磁波的反射率和透射率尽可能小。理想的吸波材料必须满足两个条件:(1)材料表面的阻抗与自由空间相匹配，以减少电磁波的反射;(2)能源进入材料的电磁波被尽可能多地消耗掉。超材料吸波剂的性能在很大程度上取决于其几何形状、尺寸、排列方式等。因此，通过对上述参数的设计，可以实现对超材料等效电磁参数的灵活控制，满足应用中对高吸收、宽带吸收的需求[7-9］．

本文提出了一种基于树枝状电阻膜的多介质层超材料吸收体，具有吸收率高、工作带宽宽、对入射电磁波吸收稳定的特点。该结构单元包括树枝状电阻膜结构、电介质衬底和底部电阻膜背板。电介质衬底由四层组成，包括两个PET层、一个PMMA层和一个多孔泡沫层。单元结构如图所示图1．

单位结构尺寸为:单位长度p = 8毫米P = 8毫米，电阻膜厚度为h₁=0.2 mm时，方电阻值为R= 100Ω。PET层的介电常数为ε_r=3.0，损失角tantd = 0.06，厚度h₂= 0.175毫米。PMMA层的介电常数为ε_r=2.25，损失角tan为t_d= 0.001，厚度为h_3.= 1.3毫米。PET层的介电常数为ε_r=3.0，，损失角tan为t_d= 0.06，厚度为h₂= 0.175毫米。多孔泡沫层的介电常数为ε_r=1.05，损失角tan为t_d= 0.005，厚度为h₄= 0.5毫米。树枝状电阻膜结构的主干长度为r₁= 7mm，其宽度为w₁= 0.6 mm，侧支最长边为r₂= 1.65 mm，宽度为w₂= 0.4毫米。相邻分支之间的距离是d₁= 2.4 mm，侧支与垂直方向夹角为deg= 60°，侧支与树干顶部距离最短为d₂= 0.67毫米。

对所提出的减振器进行了仿真分析

利用CST Microwave Studio的频域求解器，我们可以得到S参数来计算吸收体的吸收。该装置的吸收率为图2当电磁波垂直入射时。

它可以在图2当电磁波垂直入射时，该吸波器的吸收率在20.04 GHz处达到99.3%的峰值，吸收率高于99%的频带为18.56 GHz-21.56 GHz，相对带宽约为10.0%;吸收率大于90%的频段为12.21 GHz ~ 29.32 GHz，相对带宽约为84.8%。

在垂直入射的基础上，进一步研究了斜向入射电磁波的吸收。对于不同入射角的TE波和TM波，吸收曲线如图所示图3而且图4．

它可以从图3而且图4．所提出的吸收器具有极化不敏感的特性，在入射角0°~ 45°范围内，对TE波和TM波的吸收率峰值可超过99%。当入射角为0°、15°、30°和45°时，超过99%的吸收率带宽分别为3.04 GHz、3.80 GHz、5.04 GHz和5.14 GHz;吸收率超过90%的相对带宽分别为84.8%、83.0%、78.2%和70.0%。

结论

本文利用不同介电层的散射特性，提出了一种基于树枝状电阻膜结构的多介电层超材料吸收体。仿真结果表明，当入射角不超过45时，99%以上吸收率的带宽均大于3GHz, 90%以上吸收率的带宽均大于70.0%。因此，本文提出的超材料吸波器具有广角、宽频带、极化不敏感、完美吸波的特点。

致谢

国家自然科学基金(61571229)资助。

参考文献

1. 刘晓霞，刘志刚，刘志刚。超材料电磁波吸收器。先进材料，2012;24:98 - 120。
2. 蔡WS, Shalaev VM。光学超材料:基础与应用。纽约:斯普林格出版社，2010。
3. 李y。太赫兹科学技术原理。纽约:Springer-Verlag出版社。2009.
4. 太赫兹通信研究综述。红外毫里太赫兹波。2011;32:143-71。
5. 杨JX。基于超材料和磁性材料的p波段吸波器设计。中国电子学会。2017全国天线年会论文。中国电子学会。2017:3。
6. 李SJ。多波段完美超材料减振器设计研究。中国电子学会。2017全国天线年会论文。中国电子学会。2017:3。
7. 思嘉。基于双八角环超材料和集总电阻的宽带、薄、极化不敏感的完美吸收器。应用物理学报。2014;116:043710
8. 范勇，程一智，聂勇，等。基于分形频率选择表面和电阻膜的超薄宽带平面超材料吸收器。中国物理学报(英文版);2013;
9. 赵建超，程永智。基于电SRR负载集总电阻的超带微波超材料吸收器。《电子学报》，2016;