超材料宽带低散射技术研究进展
发布时间：2021-10-13 17:28
电磁吸波材料和外形设计等低散射技术被广泛应用于隐身、电磁屏蔽及无线通信等领域。相比于传统技术途径,超材料低散射技术具有更加灵活的设计和调控能力,因而在带宽拓展、厚度减低等设计要求上具有更好的发展前景。文章介绍了实现宽频带散射缩减的常用方案,并着重介绍了基于多谐振叠加、损耗调节以及漫反射原理的带宽拓展方法,并简要展望了低散射技术的发展趋势。
【文章来源】：微波学报. 2020,36(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实现宽带低散射超材料的三种常用方法
传统Salisbury屏以金属作为底板,而金属在微波频段具有恒定的180°反射相位,这一缺点限制了传统Salisbury屏只能工作在特定的离散的频率点,且在各吸波频段之间,表现出高反射特性,难以作为宽带的吸波结构适应复杂的电磁环境,如图2(a)上排两幅图所示。相比较而言,我们用反射型超表面代替传统Salisbury屏的金属底板(图2(a)下排图),可以灵活设计超表面底板的表面阻抗特性,从而获得所需要的反射相位及相应的谐振频点。该原理中,利用不同反射特性的超表面单元形成超构Salisbury屏单元,并使这些单元的谐振模式不同,即频谱特性表现为各单元的吸收带依次在频率轴上连续且错开排布。该结构在入射电磁波照射下,在原有吸收峰附近的若干频点上均能满足相位干涉条件,形成多个吸收峰叠加,从而展宽吸波频带。图2(b)左图为我们设计的超表面Salisbury结构示意图,该吸波器底板共有四种不同的超表面单元按特定的空间序列排布而成[26]。该超表面的组成单元具有不同的反射相位特性,因而其对应的超表面Salisbury屏单元具有不同的谐振特性。当这些单元组合使用时,可以在超表面Salisbury屏中激励起多种谐振模式,从而实现带宽的拓展。我们利用以上四种单元的解析表达式建立散射缩减的目标函数,并引入遗传算法和模拟退火算法加速优化了超表面单元的设计过程及其空间分布特性。最终,在同等结构厚度条件下,将传统Salisbury屏的吸波带宽由7.5～16 GHz展宽到5～30 GHz(如图2(b)右图),并且在0°～ 55°入射角范围内,均能保持6 dB 以上的雷达散射截面缩减效果[26]。
图3(a)左图为基于氧化铟锡(ITO)的光学透明型宽带吸波器[29]。ITO是一种损耗型导电材料,薄膜状态时呈透明、略显茶色,可根据需求设计其方阻。超材料吸波器的基本单元如图3(a)右下所示,方阻为40 Ω/m2的圆环形ITO膜附着在聚氯乙烯薄膜上。我们利用传输线模型分析该吸波器的工作原理,即将四层介质等效为不同特性阻抗的四段传输线,将圆环形ITO薄膜等效为R、L、C串联电路。如图3(b)所示,吸波器等效电路模型的输入阻抗应与自由空间阻抗相匹配,理论分析的结果与仿真结果基本吻合。经实验测试,该吸波器可以实现6.21～19.31 GHz的宽带吸波,吸收率达到90%以上,相对厚度为0.075λ。同时,该吸波器的斜入射性能良好,可以用于实现共形吸波器。图3(c)为加载集总电阻的宽带吸波器[30]。当电磁波入射时,吸波器表面的金属谐振环上会产生感应电流。感应电流随之通过集总电阻并耗散在其中,从而形成电磁波吸收。四个金属柱通孔用以增强磁谐振,提升单元的斜入射性能。实验测试结果与仿真结果吻合,实现了9.3～17 GHz的吸波带宽,能量吸收率达到90%以上,如图3(d)所示[31]。通过激励起电谐振和磁谐振模式,且使这两个模式工作在不同频率,超材料吸波结构可实现宽带吸波功能。如图3(e)所示,吸波器由加载电阻的十字形金属谐振单元、介质板以及金属背板构成[32]。当电磁波正入射时,在频率为10.2 GHz时,相邻金属柱上产生反向感应电流,表现为磁谐振模式;在频率为14.8 GHz时,上层金属结构中的感应电流较大,且与底板电流同向,表现为电谐振模式。优化结构参数后,该吸波结构可实现8.45～15.57 GHz宽带吸波,且能量吸收率均高于90%。在此基础上,我们进一步优化设计了电阻加载型超材料吸波结构,如图3(f)所示,顶层为箭头形金属图案,并嵌入了集总电阻;底层为十字形金属图案,与顶层图案通过通孔相连。当电磁波入射时,顶层金属箭头形图案与其相对的底层十字形金属臂之间会产生感应电流,低频时为环形电流,形成磁谐振模式,高频时为平行电流,形成电谐振模式。实验测试证明该吸波器在6.52～ 15.51 GHz具有良好的宽带吸波能力,且吸收率高于90%。4 漫反射表面实现宽带散射缩减
本文编号：3435095
【文章来源】：微波学报. 2020,36(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
实现宽带低散射超材料的三种常用方法
传统Salisbury屏以金属作为底板,而金属在微波频段具有恒定的180°反射相位,这一缺点限制了传统Salisbury屏只能工作在特定的离散的频率点,且在各吸波频段之间,表现出高反射特性,难以作为宽带的吸波结构适应复杂的电磁环境,如图2(a)上排两幅图所示。相比较而言,我们用反射型超表面代替传统Salisbury屏的金属底板(图2(a)下排图),可以灵活设计超表面底板的表面阻抗特性,从而获得所需要的反射相位及相应的谐振频点。该原理中,利用不同反射特性的超表面单元形成超构Salisbury屏单元,并使这些单元的谐振模式不同,即频谱特性表现为各单元的吸收带依次在频率轴上连续且错开排布。该结构在入射电磁波照射下,在原有吸收峰附近的若干频点上均能满足相位干涉条件,形成多个吸收峰叠加,从而展宽吸波频带。图2(b)左图为我们设计的超表面Salisbury结构示意图,该吸波器底板共有四种不同的超表面单元按特定的空间序列排布而成[26]。该超表面的组成单元具有不同的反射相位特性,因而其对应的超表面Salisbury屏单元具有不同的谐振特性。当这些单元组合使用时,可以在超表面Salisbury屏中激励起多种谐振模式,从而实现带宽的拓展。我们利用以上四种单元的解析表达式建立散射缩减的目标函数,并引入遗传算法和模拟退火算法加速优化了超表面单元的设计过程及其空间分布特性。最终,在同等结构厚度条件下,将传统Salisbury屏的吸波带宽由7.5～16 GHz展宽到5～30 GHz(如图2(b)右图),并且在0°～ 55°入射角范围内,均能保持6 dB 以上的雷达散射截面缩减效果[26]。
图3(a)左图为基于氧化铟锡(ITO)的光学透明型宽带吸波器[29]。ITO是一种损耗型导电材料,薄膜状态时呈透明、略显茶色,可根据需求设计其方阻。超材料吸波器的基本单元如图3(a)右下所示,方阻为40 Ω/m2的圆环形ITO膜附着在聚氯乙烯薄膜上。我们利用传输线模型分析该吸波器的工作原理,即将四层介质等效为不同特性阻抗的四段传输线,将圆环形ITO薄膜等效为R、L、C串联电路。如图3(b)所示,吸波器等效电路模型的输入阻抗应与自由空间阻抗相匹配,理论分析的结果与仿真结果基本吻合。经实验测试,该吸波器可以实现6.21～19.31 GHz的宽带吸波,吸收率达到90%以上,相对厚度为0.075λ。同时,该吸波器的斜入射性能良好,可以用于实现共形吸波器。图3(c)为加载集总电阻的宽带吸波器[30]。当电磁波入射时,吸波器表面的金属谐振环上会产生感应电流。感应电流随之通过集总电阻并耗散在其中,从而形成电磁波吸收。四个金属柱通孔用以增强磁谐振,提升单元的斜入射性能。实验测试结果与仿真结果吻合,实现了9.3～17 GHz的吸波带宽,能量吸收率达到90%以上,如图3(d)所示[31]。通过激励起电谐振和磁谐振模式,且使这两个模式工作在不同频率,超材料吸波结构可实现宽带吸波功能。如图3(e)所示,吸波器由加载电阻的十字形金属谐振单元、介质板以及金属背板构成[32]。当电磁波正入射时,在频率为10.2 GHz时,相邻金属柱上产生反向感应电流,表现为磁谐振模式;在频率为14.8 GHz时,上层金属结构中的感应电流较大,且与底板电流同向,表现为电谐振模式。优化结构参数后,该吸波结构可实现8.45～15.57 GHz宽带吸波,且能量吸收率均高于90%。在此基础上,我们进一步优化设计了电阻加载型超材料吸波结构,如图3(f)所示,顶层为箭头形金属图案,并嵌入了集总电阻;底层为十字形金属图案,与顶层图案通过通孔相连。当电磁波入射时,顶层金属箭头形图案与其相对的底层十字形金属臂之间会产生感应电流,低频时为环形电流,形成磁谐振模式,高频时为平行电流,形成电谐振模式。实验测试证明该吸波器在6.52～ 15.51 GHz具有良好的宽带吸波能力,且吸收率高于90%。4 漫反射表面实现宽带散射缩减
本文编号：3435095
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