一种基于超材料的六频带吸波体设计

第48卷第1期（总第187期）

2019年3月

火控雷达技术

Fire Control Ｒadar Technology

Vol.48No.1（Series 187）

Mar.2019

收稿日期：2018-10-22作者简介：李易（1993－），男，硕士研究生。研究方向为武器系统与运用工程。

一种基于超材料的六频带吸波体设计

李

易

（西安电子工程研究所

西安710100）

摘

要：本文设计了一种基于电磁超材料的具有多个频带吸波特性的吸波体。该吸波体的主体是由三层结构组成，上层为6个金属方框相套组成，中层为超材料有耗介质，下层的金属铜板作为金

属背板。这种结构可以实现在6个频点处的窄带吸波，其中在2．5GHz 处只能达到64%的吸波率，而在其他五个频点都能达到90%以上的吸波率。此外由于该结构具有旋转对称性，因而具有极化不敏感特性，又经由仿真得到该结构具有宽入射角特性，结果表明该超材料吸波体在雷达隐身领域具有潜在应用价值。

关键词：超材料；吸波体；多频带吸波

中图分类号：TN95文献标志码：A

文章编号：1008－8652（2019）01－085－04

引用格式：李易．一种基于超材料的六频带吸波体设计［J ］．火控雷达技术，2019，48（1）：85－88．DOI ：10．19472/j．cnki．1008－8652．2019．01．018Design of a Six-band Absorber Based on Metamaterial

Li Yi

（Xi'an Electronic Engineering Ｒesearch Institute ，Xi'an 710100）

Abstract ：A six-band absorber based on metamaterial is designed in this paper ．This absorber is mainly composed of three layers ，the top one is composed of six metal frames ，the middle layer is metamaterial lossy medium and the lower layer is a metal plate as the metal floor．This absorber can achieve narrowband absorption at six frequency points．When the frequency point at 2．5GHz ，the absorption is only 64%，but others can achieve more than 90%．Moreover ，because of the rotational symmetry ，this structure has polarization-insensitive characteristics．And then ，the simulation results show that the structure has wide incidence angle characteristics and this metamaterial absorber has potential application in radar stealth field．

Keywords ：metamaterial ；absorber ；multiband absorbing

0引言

超材料吸波体在近些年引起了人们的广泛关

注。自从2008年Landy ［1］

等第一次提出了完美吸

波的超材料吸波体，

人们开始深入研究这种通过达到阻抗匹配时的金属结构谐振和有损耗的电介质对

电磁波进行损耗吸收的吸波体。之后，人们对超材料吸波体的研究慢慢扩展开来，例如双频带［2－3］

、三

频带、宽带

［4］

和可调频带吸收。

本文采用6个同心金属环相套的结构，

实现了6个频带的吸波。由于组成该结构单元的金属方环具有四重旋转对称性，所以该结构具有极化无关特性，又由仿真验证该结构具有入射不敏感特性。

1结构设计

本文利用HFSS 软件进行建模仿真，模型由真

空腔，金属背板，超材料介质与金属结构四部分组

成，如图1所示：

火控雷达技术

第48

卷

图1仿

真模型

图2结构尺寸

真空腔体四周设置二个主从边界条件用于控

制入射波入射角度以及模拟无限周期单元，顶部设置floquet 端口模拟无限远处发射来的平行入射波。

超材料吸波体的单元结构如图2所示，由超材料介质，金属背板与金属结构三部分组成，超材料介质为FＲ4材料，顶面为边长a =18mm 的正方形，厚度t =3mm ，介电常数4．4，电损耗正切角0．02。金属背板与金属结构材料都为铜，金属结构由6个同心方框组成，最大的方框边长c =16mm ，每个方框宽度均为e =0．6mm ，方框间距均为w =0．2mm 。

2

仿真分析

2．1

吸波率

反射率Ｒ=S 11

2

，透射率T =S 21

2

，吸波率A

=1－S 11

2

－S 21

2

=1－Ｒ－T ，其中S 11为该吸波

体的反射系数，

S 21为吸波体的传输系数。因为模型中底面是金属底板，没有电磁波透射，所以S 21

2

=

0，则A =1－S 11

2

=1－Ｒ。通过HFSS 仿真得到该

结构在2GHz 到7GHz 频段范围内的吸波效果如图所示

：

图3吸波率曲线

由图3中可以看出一共有6个吸收波峰，2．5GHz 处波峰较低，仅达到64．7%的吸波效率。其

他5个波峰均达到了90%以上的吸波效率，在3．32GHz 处效率为94．1%，在3．78GHz 处效率为98．1%，在4．36GHz 处效率为98．9%，在5．12GHz 处效率为90．5%，在6．14GHz 处效率为96．6%。该吸波体结构可以实现在3．32GHz 、3．78GHz 、4．36GHz 、5．12GHz 以及6．14GHz 这5个频点处的完美吸波，而在2．5GHz 处吸波效果不是很理想。2．2

宽入射角特性

通过设置不同电磁波入射角度进行仿真得到下图结果

：

图4

不同入射角的吸波率曲线

从图4中可以看到，在0ʎ，

20ʎ，40ʎ，60ʎ以及80ʎ这五种入射角度情况下，吸波率曲线变化不大，所以该结构具有入射角不敏感特性。2．3谐振吸波

超材料吸波体是利用超材料的电磁谐振特性达到吸波功能的。在不同的谐振频点处，超材料吸波

体的不同区域发生电磁谐振将电磁波能量限制在吸波体内，并转化为热能完成吸波。

为了更好地理解吸波原理，分别对6个谐振频点处上层结构与金属底板上的电流分布进行了仿真。

6

8