用于微波段的可調(diào)超材料吸波器設(shè)計(jì)

研究背景

超材料是一種由人工設(shè)計(jì)的周期性亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電磁復(fù)合材料，傳統(tǒng)超材料一旦結(jié)構(gòu)確定，其電磁特性也隨之固定，限制了超材料的應(yīng)用。近年來，研究人員提出了許多電磁波調(diào)控方法，如磁可調(diào)利于鐵氧化體實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率的調(diào)控；電可調(diào)利用石墨烯、變?nèi)?a target="_blank">二極管、液晶等通過外加電場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)調(diào)控，以及溫控材料二氧化釩(VO2)有相變的特性。吸波性能一直是電磁超材料的一個(gè)重要應(yīng)用。通過改變微觀結(jié)構(gòu)的形狀和幾何尺寸來調(diào)節(jié)等效電磁參數(shù)，使得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的阻抗與自由空間相匹配，理論上可以實(shí)現(xiàn)完美吸收。超材料吸波器包括超窄帶、雙波段、多波段、寬帶等多種類型的吸波器。其中多波段的超材料吸波器能夠?qū)崿F(xiàn)幾個(gè)不同頻率的吸收，通過引入多個(gè)共面諧振器，由不同中心諧振頻率實(shí)現(xiàn)多頻吸收，還可以通過垂直堆疊交替的多層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但存在太厚重的缺點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)工作

針對(duì)此問題，黃山學(xué)院寧仁霞副教授團(tuán)隊(duì)提出用于微波段的可調(diào)超材料吸波器設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)多波段吸波效果。該結(jié)構(gòu)由頂層金屬諧振層、中間介質(zhì)層以及金屬底板三層材料組成，頂層結(jié)構(gòu)由兩組長(zhǎng)度成一定比例的閉口金屬環(huán)和一個(gè)十字形(CSR)諧振器組成。此可調(diào)諧超材料吸波器在5~12 GHz 頻率范圍內(nèi)具有三個(gè)獨(dú)立可調(diào)的工作頻段(C和X波段)，分別為6.36 GHz、7.96 GHz、12.12 GHz，吸收率分別為93.7%、99.9%和99.3%。

該工作已發(fā)表在《電波科學(xué)學(xué)報(bào)》2023年第38卷第3期。（寧仁霞，王菲，陸佳樂，李陸洋，任其林，焦錚）

論文介紹

仿真分析了四分之一波長(zhǎng)微帶線避雷器的不足，通過對(duì)分節(jié)微帶線、串聯(lián)電感的仿真優(yōu)化，拓展了雷電保護(hù)電路的帶寬，仿真結(jié)果表明防護(hù)電路在1GHz到3GHz內(nèi)具有良好的電壓駐波比即寬帶特性.利用電壓梯度法實(shí)現(xiàn)器件間的組合匹配，提高了雷電保護(hù)器的性能.實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在注入組合波波形為1.2/50μs&8/20μs，電壓峰值10kV的雷電磁脈沖下，輸出殘壓為79V.

研究結(jié)果表明，在大角度入射時(shí)，該吸波器可保持較高的吸收效率。此外研究了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧性，當(dāng)頂層的二氧化釩（VO2）處于全金屬狀態(tài)時(shí)，微波段有三個(gè)吸收峰，吸收率最高值分別為0.939、0.827、0.92。由于VO2的電導(dǎo)率從30000 S/m到200 000S/m變化，吸收率在三個(gè)吸收峰上實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)。該研究結(jié)果在多波段傳感檢測(cè)中有潛在的應(yīng)用前景。

圖1超材料吸波器單元結(jié)構(gòu)圖

圖2超材料吸波器單元結(jié)構(gòu)正常入射下的吸收光譜和歸一化等效阻抗

圖3正入射下TM模式的三個(gè)諧振點(diǎn)處磁場(chǎng)分布

圖4不同波模式和偏振角φ下的吸收光譜

圖5不同波模式和入射角θ下的吸收光譜

圖6TM模式下吸收光譜隨幾何參數(shù)的變化

圖7不同波模式下吸收光譜隨VO2電導(dǎo)率的變化

作者介紹

仿真分析了四分之一波長(zhǎng)微帶線避雷器的不足，通過對(duì)分節(jié)微帶線、串聯(lián)電感的仿真優(yōu)化，拓展了雷電保護(hù)電路的帶寬，仿真結(jié)果表明防護(hù)電路在1GHz到3GHz內(nèi)具有良好的電壓駐波比即寬帶特性.利用電壓梯度法實(shí)現(xiàn)器件間的組合匹配，提高了雷電保護(hù)器的性能.實(shí)測(cè)結(jié)果表明,在注入組合波波形為1.2/50μs&8/20μs，電壓峰值10kV的雷電磁脈沖下，輸出殘壓為79V.

審核編輯：湯梓紅