基于Metamaterials的谐振型电磁波吸收材料

1 引言

电磁波吸波材料中，Salisbury屏的理论已经提出有相当长的时间，因为其结构简单，在一定范围内吸波效果良好，围绕其开展的各项研究一直受到相关研究人员的重视。南京大学伍瑞新等就金属薄膜构成的Salisbury屏反射率的高频响应与相关诸因数的关系进行了详细的分析。使用经过优化设计的多层Salisbury屏来拓展吸波频带宽度，用特殊的金属膜技术实现透明吸波材料，利用有源FSS实现自适应的Salisbury屏等等改良Salisbury屏的研究工作也层出不穷。究其原理，都是利用了吸收谐振时分界面附近的电磁场能量，从而达到吸波的作用。由于一般Salisbury屏的介质基底厚度限制在谐振波长的四分之一，这种类型的吸波结构，在纵向尺寸上有很大的局限性，而且需要金属屏蔽体作为衬底，也限制了其在很多方面的应用。虽然磁性材料可能极大地减小吸波屏的厚度，但严格复合要求的磁性材料目前还难以制备。相比而言，电损耗材料容易获得，制作工艺简单，更有实际意义。

早在1967年，前苏联理论物理学家Veselage假想了一种介电常数和磁导率同时为负值的介质，将它称为"左手材料"（left-handed materials简称LHM），并预言了一系列奇妙的性质。其论文先以俄文在前苏联一个学术刊物上发表，次年被翻译为英文发表在《苏联物理学进展》，但随后30年都无人问津。直到英国皇家学院院士Pendry教授重新开启了这方面的研究，并于1996年后发表了一系列关于如何人工合成LHM的论文。 2001年既由加州大学圣迭戈分校物理系的Smith等在微波实验中首次实现。他们采用细长金属导线阵列（类似光子晶体结构）来提供等离子体型的介电系数，而用开口的谐振环（SRRs）感应出环电流模拟磁矩从而产生负的磁导率。两种结构具有人工周期性和远小于波长条件下的局域谐振两个特点。本文作者曾研究过单负介质组合情况下出现的宽带亚波长谐振现象，可以设想，利用这种亚波长谐振时能量集中于分界面的特点，如果能够在恰当位置放置一电阻屏吸收电磁能量而不破坏谐振条件，即能构造出宽带超薄电磁波吸收材料。实际上，N.Engheta和F.Bilotti等人已经在做相关的研究,而国内尚未有这方面研究的报道。研究中我们发现，平面微波光子晶体和开口谐振环的局域谐振特点也可以分别用来实现单元尺寸远小于波长的薄的电磁波吸收体，也就是本文将要阐述的主要内容。

2 基于Metamaterials局域共振的吸波应用

2.1 PBG构成的吸波结构

如图1（a）所示的复合吸波结构，由平面微波光子晶体、介质隔离层和金属底板构成。图1（b）所示为PBG结构的部分单元，其中黑色部分为导电贴片。当贴片单元尺寸远小于波长时，其等效电路形式如图2。

假设复合结构底板为理想导电体，则厚度d的衬底介质()表面的输入导纳为：

，其中 为自由空间波阻抗，为介质波数.

复合结构的输入导纳为：，其中

反射系数为：

可见，理论上要使复合结构无反射，周期性表面的归一化导纳虚部要等于，实部等于1。

Y_S中电阻产生于我们采用的导电贴片的有限电导率，电感来源于贴片自身感应电流，电容来源于相邻贴片之间的缝隙耦合。显然，等效电路参数对电场极化敏感。一定频率的平面波入射时，PBG表面将产生局域电谐振从而将电场的能量集中于缝隙与贴片表面处，此时如果在表面覆盖电阻屏，即可以有效吸收电磁能量。

而我们认为采取有限电导率的贴片形式能够省去这一层电阻屏，通过选择合适的电导率也可以达到同样的能量耗散的效能。实际情况是表面电阻率对YS的实部和虚部都有影响。实际设计时，以追求虚部条件为先，确定好大概的贴片尺寸和缝隙宽度，然后调整表面电阻率来改变实部，同时关注虚部的变化以微调贴片尺寸和缝隙宽度，从而达到所需频段内吸波性能最优化的目的。

2.2 SRRs阵列构成的吸波结构

图3（a，b）所示为利用裂缝谐振环（SRRs）^[19]构成的吸波结构和SRR单元。SRRs结构形成谐振电路，其电感值由环的自感应系数决定，电容值由双环之间分布电容以及环上的缺口产生的电容决定。当SRRs被入射波激励时，在谐振频率附近，磁场应当在SRRs单元的中心处最强，而电场在SRRs缺口以及导体线附近最强。基于此，仿照Salisbury屏的原理，在SRRs单元附近放置电阻屏来吸收电场能量即可以达到吸波的效能。复合结构放置于真空中，电阻屏的电导率可以设成与自由空间阻抗匹配来减小反射。

3 吸波结构仿真结果与分析

3.1 平面微波光子晶体构成的吸波结构

用商业有限元软件HFSS11进行全波仿真，单元四周采用对称的理想电壁和磁壁来模拟无限大周期^[20]，TE波正入射，极化方向与狭缝垂直。有限电导率的贴片尺寸为8mm见方，狭缝宽0.5mm，空气衬底厚度2mm，扫描频率到X波段。复合结构的吸波特性曲线如图4所示。