第48卷第1期（总第187期）2019年3月火控雷达技术Fire Control Ｒadar TechnologyVol.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 MetamaterialLi 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 absorbing0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 112，透射率T =S 212，吸波率A=1－S 112－S 212=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 212=0，则A =1－S 112=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。
68第1期李易：一种基于超材料的六频带吸波体设计图5在2．5GHz 处结构和金属底板表面电流分布从图5中可以看出，在2．5GHz 处主要由最大的方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。
图6在3．3GHz 处结构和金属底板表面电流分布从图6中可以看出，在3．3GHz 处主要由从外到内第二个方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。
图7在3．78GHz 处结构和金属底板表面电流分布从图7中可以看出，在3．78GHz 处主要由从外到内第三个方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。
从图8中可以看出，在4．36GHz 处主要由从外到内第四个方框与金属底板发生电磁谐振，在上下两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。
可以看到电流分布向右侧偏移。
78火控雷达技术第48卷图8在4．36GHz处结构和金属底板表面电流分布图9在5．12GHz 处结构和金属底板表面电流分布从图9中可以看出，在5．12GHz 处主要由从外到内第五个方框与金属底板发生电磁谐振，在左右两边形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。
图10在6．14GHz 处结构和金属底板表面电流分布从图10中可以看出，在6．14GHz 处主要由最小的方框与金属底板发生电磁谐振，在两个对角形成与金属底板上电流反向平行的电流，对电磁波进行吸收。
通过上述结果，可以看出吸波结构的不同部位，分别影响不同频点的谐振吸波。
3结束语本文通过HFSS 仿真设计了一种基于电磁超材料的具有6个频带吸波特性的吸波体。
该吸波体拥有在2．5GHz 、3．32GHz 、3．78GHz 、4．36GHz 、5．12GHz 、6．14GHz 等6个频点处的吸波峰值，只有在2．5GHz 处吸波率仅达到64．7%，其他5个频点均达到了吸波率90%以上的完美吸波。
此外由于该结构具有四重旋转对称性，因而具有极化不敏感特性，又经由仿真验证该结构具有宽入射角特性，该超材料吸波体在雷达隐身领域具有潜在应用价值。
参考文献：［1］Landy N I ，Sajuyigbe S ，Mock J J ，et al．A per-fect metamaterial absorber ［J ］．Physical ＲeviewLetters ，2008，100（20）：1－4．［2］Wen Qiye ，Zhang Huaiwu ，Xie Yunsong ，et al．Du-al band terahertz metamaterial absorber ：Design ，fabrication ，and characterization ［J ］．Applied Phys-ics Letters ，2009，95（24）：1111－1113．［3］陈菲，曹卫平，张静媛．双频窄带超材料吸波体的设计［J ］．桂林电子科技大学学报，2014，34（3）：180－183．［4］保石，罗春荣，张燕萍，等．基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器［J ］．物理学报，2010，59（5）：3187－3191．［5］刘涛，曹祥玉，高军，等．超材料吸波体设计及其雷达散射截面分析［J ］．电波科学学报，2012，27（6）：1219－1224．［6］田春胜．电磁超材料吸波体的设计与应用研究［D ］．哈尔滨工程大学，2016．88。