极薄宽角度平面超材料吸波体仿真与实验验证.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．20(2013)208103极薄宽角度平面超材料吸波体仿真与实验验证木鲁磊)十屈绍波)苏兮2)尚耀波3)张介秋)柏鹏2)1)(空军工程大学理学院，西安710051)2)(空军工程大学综合电子信息系统与电子对抗技术研究中心，西安710051)3)(空军工程大学信息与导航学院，西安710077)(2013年4月19日收到；2013年7)119日收到修改稿)仿真和实验验证了厚度极薄的平面结构超材料吸波体，该吸波体采用加载交指电容的耶路撒冷十字结构，通过增加单元间的耦合电容显著降低了其工作频率．测试结果表明，该超材料吸波体在1

2、．58GHz，吸收率峰值为88．48％。其厚度为2mm，约为1／95工作波长，吸波体的单元尺寸为11mm，约为1／17工作波长．此外，通过金属通孔将耶路撒冷十字结构与金属底板相连接，使其对斜入射横电和横磁极化电磁波具有宽角度吸收特性，在6O。时依然具有较高的吸收率，且吸收峰频率几乎不发生偏移，从而使其更具实用价值．关键词：极薄，宽角度，超材料吸波体PACS：81．05．XJ．42．25．BsDoI：10．7498／aps．62．208103频率几乎不发生偏移，具有较好的宽角度吸收特性，从而使得该超材料吸波体更具实用性，尤其适合应1引言用于具有倾斜表面且实现强吸收的情况．此

3、外，由于该超材料吸波体的单元结构具有四重旋转对称2008年，Landy等【1J首次提出了基于金属介性，因而对垂直入射电磁波的极化方向是不敏感的．质周期结构的完全吸收超材料吸波体，其高吸收率和极薄的厚度等优点吸引了研究人员的广泛兴2结构设计与仿真趣[2-1o]．而在传统的吸波材料中，如经典的Salis—bury吸收屏，其厚度须为四分之一工作波长，当为对低频电磁波实现强吸收，采用在耶路撒冷工作于较低频率如L波段时，厚度会显著增加，因十字结构的长臂上加载交指电容的方法，以降低超而不利于实际应用．此外，在超材料吸波体的设计材料吸波体的工作频率，其单元结构如图l(a)所中，高吸收率

4、、宽角度吸收、厚度和极化不敏感等示，其中灰色区域为金属．为使得超材料吸波体对特性是衡量吸波体实用性的重要方面．工作频带内斜入射电磁波具有较好的吸收稳定性，为对低频电磁波实现强吸收，且同时降低超材将加载交指电容的耶路撒冷十字结构通过金属通料吸波体的厚度和电尺寸，并对斜入射电磁波具有孔与金属底板连接在一起，如图l(b)所示，从而可宽角度吸收，本文采用加载交指电容的耶路撒冷十以实现吸波体对斜入射TM极化电磁波具有宽角字结构，通过增加单元间的耦合电容以降低超材料度吸收特性[12]．为减小仿真计算量，将实际加工中吸波体的工作频率，并以极薄的厚度对低频电磁波的圆形金属通孔在仿真时设计

5、为正方形结构．超实现强吸收．且该超材料吸波体对横电(transverse材料吸波体的具体尺寸为：周期为a=11mm，b：electric，TE)和横磁(~ansversemagnetic，TM)极化2．3mm，C=2mm，e=1into，h=5．8mm，1=2．2电磁波在6O。时依然具有较高的吸收率，吸收峰的mm，缝宽g=0．2mm，金属线宽为w=0．2mm．基+国家自然科学基金(批准号：11274389)和国家重点基础研究发展计划(批准号：2009CB623306)资助的课题十通讯作者．E—mail：bblfdd@163．corn④2013中国物理学会ChinesePh

6、ysicalSocietyhttp：／／wulixb．ip．hy．ac．cn208103．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．20(2013)208103板采用FR4损耗基板，其厚度为d=2mm，相对介图所示，0为斜入射电磁波波矢与超材料吸波体电常数为er=4．3(1一i0．025)=群+i，其中电损表面法线的夹角．由于金属通孔的存在，因而Zd不耗角正切为tan=0．025．周期金属结构成分为铜，依赖于TM极化电磁波的斜入射角度[12]，其阻抗其厚度为t=0．02mm，电导率为=5．8×10S／m．大小可表示为采用基于有限积分的商业电磁仿真软件CST微

7、波=胁d工作室对超材料吸波体进行全波仿真，吸波体单元)结构的上下左右皆设置为unitcell周期边界条件，均匀平面电磁波垂直入射到吸波体表面，其中电场zTM=tan(kox／~d)，(3)E沿方向，磁场日沿+y方向，波矢沿+z方其中，Zo=、／／．“o／￡0和

8、i=0=∞分别为自由空向．间的特性阻抗和波数，eo和．“o分别为自由空间的d介电常数和磁导率．超材料吸波体的反射系数，．可表示为Zin-ZO／COS0=ziZo／～COS0，(4)+一n=ZiZocos0，(5)+～n其中，输入阻抗zi为周期金属结构的阻抗zITI与加载