基于Metamaterials的諧振型電磁波吸收材料

1 引言
　　電磁波吸波材料中，Salisbury屏的理論已經(jīng)提出有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一定范圍內(nèi)吸波效果良好，圍繞其開展的各項(xiàng)研究一直受到相關(guān)研究人員的重視。南京大學(xué)伍瑞新等就金屬薄膜構(gòu)成的Salisbury屏反射率的高頻響應(yīng)與相關(guān)諸因數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析。使用經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的多層Salisbury屏來(lái)拓展吸波頻帶寬度，用特殊的金屬膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)透明吸波材料，利用有源FSS實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的Salisbury屏等等改良Salisbury屏的研究工作也層出不窮。究其原理，都是利用了吸收諧振時(shí)分界面附近的電磁場(chǎng)能量，從而達(dá)到吸波的作用。由于一般Salisbury屏的介質(zhì)基底厚度限制在諧振波長(zhǎng)的四分之一，這種類型的吸波結(jié)構(gòu)，在縱向尺寸上有很大的局限性，而且需要金屬屏蔽體作為襯底，也限制了其在很多方面的應(yīng)用。雖然磁性材料可能極大地減小吸波屏的厚度，但嚴(yán)格復(fù)合要求的磁性材料目前還難以制備。相比而言，電損耗材料容易獲得，制作工藝簡(jiǎn)單，更有實(shí)際意義。
　　早在1967年，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家Veselage假想了一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的介質(zhì)，將它稱為“左手材料”（left-handed materials簡(jiǎn)稱LHM），并預(yù)言了一系列奇妙的性質(zhì)。其論文先以俄文在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表，次年被翻譯為英文發(fā)表在《蘇聯(lián)物理學(xué)進(jìn)展》，但隨后30年都無(wú)人問(wèn)津。直到英國(guó)皇家學(xué)院院士Pendry教授重新開啟了這方面的研究，并于1996年后發(fā)表了一系列關(guān)于如何人工合成LHM的論文。 2001年既由加州大學(xué)圣迭戈分校物理系的Smith等在微波實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)。他們采用細(xì)長(zhǎng)金屬導(dǎo)線陣列（類似光子晶體結(jié)構(gòu)）來(lái)提供等離子體型的介電系數(shù)，而用開口的諧振環(huán)（SRRs）感應(yīng)出環(huán)電流模擬磁矩從而產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率。兩種結(jié)構(gòu)具有人工周期性和遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)條件下的局域諧振兩個(gè)特點(diǎn)。本文作者曾研究過(guò)單負(fù)介質(zhì)組合情況下出現(xiàn)的寬帶亞波長(zhǎng)諧振現(xiàn)象，可以設(shè)想，利用這種亞波長(zhǎng)諧振時(shí)能量集中于分界面的特點(diǎn)，如果能夠在恰當(dāng)位置放置一電阻屏吸收電磁能量而不破壞諧振條件，即能構(gòu)造出寬帶超薄電磁波吸收材料。實(shí)際上，N.Engheta和F.Bilotti等人已經(jīng)在做相關(guān)的研究，而國(guó)內(nèi)尚未有這方面研究的報(bào)道。研究中我們發(fā)現(xiàn)，平面微波光子晶體和開口諧振環(huán)的局域諧振特點(diǎn)也可以分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的薄的電磁波吸收體，也就是本文將要闡述的主要內(nèi)容。
　　2 基于Metamaterials局域共振的吸波應(yīng)用
　　2.1 PBG構(gòu)成的吸波結(jié)構(gòu)
　　如圖1（a）所示的復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)，由平面微波光子晶體、介質(zhì)隔離層和金屬底板構(gòu)成。圖1（b）所示為PBG結(jié)構(gòu)的部分單元，其中黑色部分為導(dǎo)電貼片。當(dāng)貼片單元尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，其等效電路形式如圖2。