用于微波段的可调超材料吸波器设计

研究背景

超材料是一种由人工设计的周期性亚波长单元结构构成的电磁复合材料，传统超材料一旦结构确定，其电磁特性也随之固定，限制了超材料的应用。近年来，研究人员提出了许多电磁波调控方法，如磁可调利于铁氧化体实现对负磁导率的调控；电可调利用石墨烯、变容二极管、液晶等通过外加电场变化实现调控，以及温控材料二氧化钒(VO2)有相变的特性。吸波性能一直是电磁超材料的一个重要应用。通过改变微观结构的形状和几何尺寸来调节等效电磁参数，使得设计结构的阻抗与自由空间相匹配，理论上可以实现完美吸收。超材料吸波器包括超窄带、双波段、多波段、宽带等多种类型的吸波器。其中多波段的超材料吸波器能够实现几个不同频率的吸收，通过引入多个共面谐振器，由不同中心谐振频率实现多频吸收，还可以通过垂直堆叠交替的多层结构来实现，但存在太厚重的缺点。

团队工作

针对此问题，黄山学院宁仁霞副教授团队提出用于微波段的可调超材料吸波器设计来实现多波段吸波效果。该结构由顶层金属谐振层、中间介质层以及金属底板三层材料组成，顶层结构由两组长度成一定比例的闭口金属环和一个十字形(CSR)谐振器组成。此可调谐超材料吸波器在5~12 GHz 频率范围内具有三个独立可调的工作频段(C和X波段)，分别为6.36 GHz、7.96 GHz、12.12 GHz，吸收率分别为93.7%、99.9%和99.3%。

该工作已发表在《电波科学学报》2023年第38卷第3期。（宁仁霞，王菲，陆佳乐，李陆洋，任其林，焦铮）

论文介绍

仿真分析了四分之一波长微带线避雷器的不足，通过对分节微带线、串联电感的仿真优化，拓展了雷电保护电路的带宽，仿真结果表明防护电路在1GHz到3GHz内具有良好的电压驻波比即宽带特性.利用电压梯度法实现器件间的组合匹配，提高了雷电保护器的性能.实测结果表明,在注入组合波波形为1.2/50μs&8/20μs，电压峰值10kV的雷电磁脉冲下，输出残压为79V.

研究结果表明，在大角度入射时，该吸波器可保持较高的吸收效率。此外研究了设计结构的可调谐性，当顶层的二氧化钒（VO2）处于全金属状态时，微波段有三个吸收峰，吸收率最高值分别为0.939、0.827、0.92。由于VO2的电导率从30000 S/m到200 000S/m变化，吸收率在三个吸收峰上实现了动态可调。该研究结果在多波段传感检测中有潜在的应用前景。

图1   超材料吸波器单元结构图

图2   超材料吸波器单元结构正常入射下的吸收光谱和归一化等效阻抗

图3   正入射下TM模式的三个谐振点处磁场分布

图4   不同波模式和偏振角φ下的吸收光谱

图5   不同波模式和入射角θ下的吸收光谱

图6  TM模式下吸收光谱随几何参数的变化

图7  不同波模式下吸收光谱随VO2电导率的变化

作者介绍

仿真分析了四分之一波长微带线避雷器的不足，通过对分节微带线、串联电感的仿真优化，拓展了雷电保护电路的带宽，仿真结果表明防护电路在1GHz到3GHz内具有良好的电压驻波比即宽带特性.利用电压梯度法实现器件间的组合匹配，提高了雷电保护器的性能.实测结果表明,在注入组合波波形为1.2/50μs&8/20μs，电压峰值10kV的雷电磁脉冲下，输出残压为79V.

审核编辑：汤梓红