電磁吸波材料和外形設(shè)計(jì)等低散射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隱身、電磁屏蔽及無線通信等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)技術(shù)途徑,超材料低散射技術(shù)具有更加靈活的設(shè)計(jì)和調(diào)控能力,因而在帶寬拓展、厚度減低等設(shè)計(jì)要求上具有更好的發(fā)展前景。文章介紹了實(shí)現(xiàn)寬頻帶散射縮減的常用方案,并著重介紹了基于多諧振疊加、損耗調(diào)節(jié)以及漫反射原理的帶寬拓展方法,并簡要展望了低散射技術(shù)的發(fā)展趨勢。 

【文章來源】：微波學(xué)報(bào). 2020,36(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

實(shí)現(xiàn)寬帶低散射超材料的三種常用方法

傳統(tǒng)Salisbury屏以金屬作為底板,而金屬在微波頻段具有恒定的180°反射相位,這一缺點(diǎn)限制了傳統(tǒng)Salisbury屏只能工作在特定的離散的頻率點(diǎn),且在各吸波頻段之間,表現(xiàn)出高反射特性,難以作為寬帶的吸波結(jié)構(gòu)適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境,如圖2(a)上排兩幅圖所示。相比較而言,我們用反射型超表面代替?zhèn)鹘y(tǒng)Salisbury屏的金屬底板(圖2(a)下排圖),可以靈活設(shè)計(jì)超表面底板的表面阻抗特性,從而獲得所需要的反射相位及相應(yīng)的諧振頻點(diǎn)。該原理中,利用不同反射特性的超表面單元形成超構(gòu)Salisbury屏單元,并使這些單元的諧振模式不同,即頻譜特性表現(xiàn)為各單元的吸收帶依次在頻率軸上連續(xù)且錯開排布。該結(jié)構(gòu)在入射電磁波照射下,在原有吸收峰附近的若干頻點(diǎn)上均能滿足相位干涉條件,形成多個吸收峰疊加,從而展寬吸波頻帶。圖2(b)左圖為我們設(shè)計(jì)的超表面Salisbury結(jié)構(gòu)示意圖,該吸波器底板共有四種不同的超表面單元按特定的空間序列排布而成[26]。該超表面的組成單元具有不同的反射相位特性,因而其對應(yīng)的超表面Salisbury屏單元具有不同的諧振特性。當(dāng)這些單元組合使用時,可以在超表面Salisbury屏中激勵起多種諧振模式,從而實(shí)現(xiàn)帶寬的拓展。我們利用以上四種單元的解析表達(dá)式建立散射縮減的目標(biāo)函數(shù),并引入遺傳算法和模擬退火算法加速優(yōu)化了超表面單元的設(shè)計(jì)過程及其空間分布特性。最終,在同等結(jié)構(gòu)厚度條件下,將傳統(tǒng)Salisbury屏的吸波帶寬由7.5～16 GHz展寬到5～30 GHz(如圖2(b)右圖),并且在0°～ 55°入射角范圍內(nèi),均能保持6 dB 以上的雷達(dá)散射截面縮減效果[26]。

圖3(a)左圖為基于氧化銦錫(ITO)的光學(xué)透明型寬帶吸波器[29]。ITO是一種損耗型導(dǎo)電材料,薄膜狀態(tài)時呈透明、略顯茶色,可根據(jù)需求設(shè)計(jì)其方阻。超材料吸波器的基本單元如圖3(a)右下所示,方阻為40 Ω/m2的圓環(huán)形ITO膜附著在聚氯乙烯薄膜上。我們利用傳輸線模型分析該吸波器的工作原理,即將四層介質(zhì)等效為不同特性阻抗的四段傳輸線,將圓環(huán)形ITO薄膜等效為R、L、C串聯(lián)電路。如圖3(b)所示,吸波器等效電路模型的輸入阻抗應(yīng)與自由空間阻抗相匹配,理論分析的結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試,該吸波器可以實(shí)現(xiàn)6.21～19.31 GHz的寬帶吸波,吸收率達(dá)到90%以上,相對厚度為0.075λ。同時,該吸波器的斜入射性能良好,可以用于實(shí)現(xiàn)共形吸波器。圖3(c)為加載集總電阻的寬帶吸波器[30]。當(dāng)電磁波入射時,吸波器表面的金屬諧振環(huán)上會產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流隨之通過集總電阻并耗散在其中,從而形成電磁波吸收。四個金屬柱通孔用以增強(qiáng)磁諧振,提升單元的斜入射性能。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合,實(shí)現(xiàn)了9.3～17 GHz的吸波帶寬,能量吸收率達(dá)到90%以上,如圖3(d)所示[31]。通過激勵起電諧振和磁諧振模式,且使這兩個模式工作在不同頻率,超材料吸波結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)寬帶吸波功能。如圖3(e)所示,吸波器由加載電阻的十字形金屬諧振單元、介質(zhì)板以及金屬背板構(gòu)成[32]。當(dāng)電磁波正入射時,在頻率為10.2 GHz時,相鄰金屬柱上產(chǎn)生反向感應(yīng)電流,表現(xiàn)為磁諧振模式;在頻率為14.8 GHz時,上層金屬結(jié)構(gòu)中的感應(yīng)電流較大,且與底板電流同向,表現(xiàn)為電諧振模式。優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后,該吸波結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)8.45～15.57 GHz寬帶吸波,且能量吸收率均高于90%。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)了電阻加載型超材料吸波結(jié)構(gòu),如圖3(f)所示,頂層為箭頭形金屬圖案,并嵌入了集總電阻;底層為十字形金屬圖案,與頂層圖案通過通孔相連。當(dāng)電磁波入射時,頂層金屬箭頭形圖案與其相對的底層十字形金屬臂之間會產(chǎn)生感應(yīng)電流,低頻時為環(huán)形電流,形成磁諧振模式,高頻時為平行電流,形成電諧振模式。實(shí)驗(yàn)測試證明該吸波器在6.52～ 15.51 GHz具有良好的寬帶吸波能力,且吸收率高于90%。4 漫反射表面實(shí)現(xiàn)寬帶散射縮減


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