基于超材料的宽带电磁吸波器

一．背景介绍近年来，在电磁波吸收器的相关领域方面受到了越来越多的关注与研究，电磁吸收器是一种可以抑制电磁能...



一．背景介绍近年来，在电磁波吸收器的相关领域方面受到了越来越多的关注与研究，电磁吸收器是一种可以抑制电磁能量的反射与折射的装置，现如今电磁吸收器在减小雷达旁瓣辐射，抑制电磁干扰以及RCS（RadarCross Section）的减小等方面有着较为重要的的应用。早期最主要的电磁吸波器主要是针对于微波频段，后来随着研究的深入，不同种类的吸波器得到了应用，包括Salisbury屏，Jaumann 吸波器，Dallenbach层吸波器，交叉光栅式吸波器以及电路模拟吸波器。尽管已经有着大量有关吸波器的装置，但许多问题仍然存在。首先是厚度，上面所提到的大多数吸波器的厚度至少都要求是入射电磁波共振波长的1/4；然后是由于很难使吸波器所用材料与自由空间阻抗匹配，因此吸波器特定的吸波性能也不容易控制；最后就是吸波器所对应的频段的限制，上述吸波器种类都只针对微波频段（300MHz-3000GHz）。

直到最近，超材料的出现使这些问题有了解决的可能，成百上千的研究者们都认为超材料将是发展电磁吸波器的一种有力的新型工具，它在微波段，红外段以及可见光频率范围内都能得到应用，其打破这些限制的主要原理是通过设计等效电磁参数（介电常数与磁导率）来获得特定电磁吸波属性。对于微波频段，研究者们主要是通过使用不同阵列的几何体配置结构作为一个单元，其中金属线结构和电磁谐振器结构为主要代表。同样，通过调节单元结构的几何尺寸，那么在红外以及可见光波段实现好的吸波效果也是可行的。这些吸波的效果的实现同样可以解释为金属结构表面与纳米粒子之间的激发出了表面等离子激元。

到目前为止，我们注意到电磁吸波器设计中的主要都是针对于满足下面几项要求：一是获得更为薄的厚度，二是在更为宽的入射角内得到运用，三是针对其工作频段，获得更为大的频宽和多个共振吸收峰。要想同时满足这三个要求并不是那么容易的，而最近对于一种介电常数接近于0的ENZ（Epsilon-Near-Zero）的应用使超材料吸波器的研究有了新的进展。

本文通过利用ENZ特殊的性能提出了一种电磁吸波器的设计，它能够同时满足厚度薄，入射角范围宽，工作频段范围广的特点。首先使用传输线理论分析了该吸波器的一般工作原理，这使得将吸波器的电磁性能和结构的几何参数联系在一起成为可能；接着对ENZ吸波器的主要的特征进行了描述，最后提出了两种不同的设计方案，包括多层结构和基于超材料表面的装置。

二． ENZ吸波器分析模型

ENZ结构的作用过程的示意图如图1所示，底部为PEC（PerfectElectric Conductor）材料。将自由空间看做是区域1，ENZ结构作为区域2，那么区域1的介电常数与磁导率分别为
和
，则对于ENZ材料，介电常数和磁导率分别可写作：

， 其中
。ENZ区域的材料的介电常数通过Drude模型可写成：

在图1（a）中可以看到，结构被电磁平面波所激发，电磁波波矢k与平面法线夹角为。



通过运用传输线理论分析反射系数r，同时能对广泛的材料进行分析，通过任意调节结构参数与形状来实现设计的目的。如图1（b）所示，对应图1（a）的结构绘制的传输线，各层的特性由其等效阻抗决定。其中
自由空间的波阻抗，
是ENZ材料的等效阻抗，PEC材料层可看做一条短路的导线。

首先计算自由空间（区域1）与ENZ层界面的输入阻抗：

接着反射系数可以表示为：

上述的分析模型对于要求准确、有效特定的结构电磁波吸收器的设计中至关重要，值得强调的是，该理论将入射波的特征和电磁参数以及结构几何性质结合在一起。

三．ENZ-basedabsorbers design

在吸波器的设计中，常常将研究的重点集中于设计高损耗结构以达到最佳的吸波性能的目的，这对于微波段的吸波器来说很容易实现，因为在这个频段内有许多材料都是可以在较薄的厚度下还有着大的损耗虚部，然而，这对于红外以及可见光波段来说就没那么容易，因此针对突破这些限制设计出符合要求的吸波器制定了两种方案。

多层结构

从图2可以看出，该结构为高介电常数（HPV）介质与ENZ结构的复合。

图3所示的为三层复合结构的吸波效果图，其中a图是各层厚度一致，图中出现一个吸收峰，b图表示各层厚度不一样，出现了多个吸收峰。

基于超材料表面的结构

结构的示意图如图4所示，从图4（a）中可以看出，该结构分为三层，顶层为超材料结构单元，该单元形状如图4（b）所示，中间为ENZ平板，底部为PEC材料，这样设计的原因是为了使电场和磁场同时被激励发生共振。、


图5为TE与TM两种极化方式的入射波下的吸波效果，这证明了使用该结构同样能够实现多频段的吸波。超材料表面吸波体结构的优点主要有，一是它在垂直入射方向的吸波效果，二是入射波极化的独立性，即可同时在TE,TM极化方式下发生共振，三是结构的对称性，这使得该结构可获得更大的入射角宽度。

四．结论

本文研究了ENZ材料在设计新型电磁吸波器上的潜力，由于该材料的特殊的性质，为实现特定吸波效果的要求开辟一条新的道路。全文首先是运用传输线理论，分析了ENZ材料的作用机理，并将特定的吸波性能与材料的结构参数有效的结合在一起。另外提出了两种不同结构的设计方案，实现了增强吸波效果的目的。这在检测与传感，光学以及国防的应用上都有着巨大的促进作用

五．参考文献

Luigi La Spada, Lucio Vegni.Metamaterial-based wideband electromagnetic wave absorber.[J]. Optics Express,2016, 24(6).

附：个人简介：朱威禹，现为北京航空航天大学大飞机班硕士研究生，主要研究方向为：飞行器总体设计及飞行器隐身技术。

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