1. 簡介

被定義為人工材料的超材料指的是擁有自然界中不存在的電磁特性的人造材料。它們 的 功 能 依 賴 于 物理尺寸 小 于 工 作 電 磁 波 波 長 的 人 造 電 磁 結(jié) 構(gòu)(R.A.Shelby,2001)(D.Cheng,2013)(T.W.Ebbesen,1998)。隨著人們越來越關注超材料的實

用價值，超材料吸波器因其吸波性能而逐漸被研究。

隨著應用需求的變化和生產(chǎn)技術的進步，超材料吸波器被設計成具有小型化、透明度高等新特性，使其應用在更多的地方。例如，透明超材料吸波器可以用作安全建筑物的窗戶。近年來，具有商業(yè)可用性、低成本和良好機械柔韌性的氧化銦錫 (ITO) 被用作透明超材料吸波器中的電阻膜設計(H.Sheokand,2017)，并且由 ITO 制成的電阻膜可以設計成方形、圓形等不同形狀，也可以根據(jù)實際需要貼附在不同的介電材料上，如高透玻璃和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。具有光學透明性的新型吸波器旨在更寬的帶寬內(nèi)減少 RCS(X. Kong,2020)(K. Chen,2020)。

上面提到的超材料結(jié)構(gòu)都是被動的，因為它們的特性或功能一旦設計或制造出來就恒定不變。因此，近年來研究和設計了更加靈活多變的超材料吸波器或頻率選擇吸波器（FSR），因為它們具有靈活性，使其可以應用于更復雜的電磁環(huán)境。通過變?nèi)荻O管和PIN 二極管的電氣控制或利用液體的流動性以及其介電常數(shù)的色散特性，有源頻率選擇表面（ AFSS） 可 以 在 設計者 感 興 趣 的 單 /多 頻 帶 上 實 現(xiàn) 透 射 、 反 射 或 吸 收 的 切 換(R.Phon,2019)(H. Li,2016)(X.Yan,2019)。

在本文中，仿真了一種液體透明可重構(gòu)雷達吸波器，利用 CST Studio Suite 中的頻域求解器對該吸波體在 2-11GHz 內(nèi)進行全波仿真，然后通過監(jiān)視器計算分析其能量分布以及電磁損耗特性。

2. 理論分析與仿真設計

本文采用了乙醇作為液體在容器中進行注入與抽出來實現(xiàn)吸波器的可重構(gòu)特性。乙醇的電磁特性可以用德拜公式來描述，德拜公式是頻率、溫度和物質(zhì)濃度的函數(shù)，如下(Xing L,2015)：

表 1. 表達式(2)(3)(4)中參數(shù)計算

圖 1. 20℃時，乙醇與水的介電常數(shù)的對比

圖 2.結(jié)構(gòu)單元基本結(jié)構(gòu)

(a)

(b)

圖 3.結(jié)構(gòu)單元基本參數(shù).

(a)俯視圖, (b) 側(cè)面圖.

圖 4.吸波器的可重構(gòu)電磁特性.

(a) 抽出乙醇, (b) 注入乙醇.

圖 5.在 5.6GHz 頻率下，吸波器的能量損耗密度分布

3. 仿真分析

利用 CST Studio Suite 仿真計算出來的 S 參數(shù)可以得到模型的電磁特性。如圖 4(a) 所示，該液態(tài)可重構(gòu)超材料吸波器可以通過乙醇的抽離實現(xiàn)在一定頻帶內(nèi)的電磁波傳輸。

傳輸頻段為 2.3 GHz 至 5 GHz，插入損耗非常低?？梢钥吹?，在 2.45 GHz 和 5 GHz 時通帶的插入損耗分別達到 0.51 和 0.99。此外，還研究了在注入乙醇的情況下該吸波器的電磁特性，如圖 4（b）所示。該吸波器可以通過注入乙醇吸收頻率處于 4 GHz 至 10.5 GHz

的電磁波，吸收能力很強。在這種狀態(tài)下，乙醇在吸收電磁波方面起著重要作用。

另外，還可以通過分析在特定頻率下該模型對于電磁波的損耗情況來判斷其性能的優(yōu)越與否。如圖 5 所示，吸波器接受的大部分電磁波功率被乙醇吸收，這表明乙醇是寬帶吸收的主要貢獻者。

4. 結(jié)論

在本文中，提出了基于 CST 仿真的液體可重構(gòu)雷達吸波器。基于理論計算分析結(jié)果，首先，利用 CST Studio Suite 中的頻域求解器對該結(jié)構(gòu)模型在 2-11GHz 內(nèi)進行全波仿真，仿真結(jié)果表面，該結(jié)構(gòu)模型微波性能良好，在乙醇抽離的情況下可以獲得頻帶為 2.3 GHz 至 5 GHz 傳輸通帶并且插入損耗非常低。此外，通過注入乙醇實現(xiàn) 4.5 GHz 至 10.5 GHz 的吸收帶，并且具有超過 90%的強吸收率。最后，還利用監(jiān)視器實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模型的能量損耗的監(jiān)控，分析得出能量可以被乙醇損耗掉，從而實現(xiàn)了可重構(gòu)特性。上述仿真分析可以運用與其他吸波器的仿真分析中。

資料來源：達索官方