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基于Metamaterials的谐振型电磁波吸收材料
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2017-11-14
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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。
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。
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