微波频段宽带吸波结构的电磁智能屏设计

具有特殊属性的人造电磁超材料已经引起人们极大的关注。然而，这些材料一般都是窄频带，因为它们是低损耗谐振材料，从样品的设计来看，相对适用的带宽最多只有几个百分比然而，很多应用需要在微波频率覆盖从一到几个倍频。而这些材料面临的主要问题还是其窄频带。另外，与传统的材料一样,这些材料是不可调的，一旦加工成型后，它们的属性，例如工作频率和带宽便不能随要求而变化。因此,快速发展智能吸波材料来满足不同的要求已被提升到重要的日程。

作为一种2D材料的超薄膜，可以用来制造电磁极化密度的电离散射结构，由共振磁介质粒子组成的超薄膜可以通过外部的偏磁场来得到可控表面。可控超薄膜由于突破了一般超材料的限制,所以在宽带应用上可以发挥很大的潜力。然而,和电压或电流相比，均衡的磁场更难运用于大的工作环境。加载PIN二极管的可控频率选择表面(FSS)可被整合到反射率是偏电流二极管的函数的一个单一的微波低反射层。可控频率选择表面的典型运用包括散射或反射特性的减小或者调制。与可调发射率的导电聚合物相反,可控频率选择表面不需要高的偏压或者大装置来达到好的可调性。由于PIN节的物理特性已经被研究得很全面，所以二极管受环境的影响可以很容易地得到补偿。加载PIN二极管的周期表面结构的可控高阻表面(HIS)已经被运用于控制二维的超过±40°的反射波,这在传输和反射的运用上很有潜力。由相似的可控高阻表面(HIS)构成的操控发射体的可重构波可以不一样地作为两层电流间的相对位置函数。机械可调表面的限制很难满足快速变化的要求。

最近，笔者研究了在薄的衬底上的周期吸波结构。

这种吸波结构的厚度可以比波长的1/50还小，并且反射率的最小值大约在X频带的一20dB处，而这是常规复合磁材料所不能实现的。然而，它是本质上的窄带宽，可在一10dB带宽大约6%的中心频率处用模式匹配方法优化出来。如果使用磁衬底的话，还可增加工作带宽。但是，在有合理的损耗角正切的微波频率下，具有高渗透性的合成物制作是复杂的。还有超材料的重量可以由通过衬底里面的磁材料粒子来增加。电磁智能屏是表示表面一个有周期谐振结构的可控表面，谐振结构加载的可控组件包含有变容二极管、PIN二极管和MEMS等。由于只用了一层周期结构，随意叫它超材料是不合适的，因为在平面外面方向的电磁特性不能均匀化,其可控传输系数可以由包含有PIN二极管加载的传导条阵列的超薄膜所得到。对于0.6mm厚的ESS的吸收峰值，当PIN二极管接通的时候，可以从3GHz转移到6GHz,吸收可从54dB减少到25dB。然而,工作带宽仍然不能够明显提高，因为可控成分的电流不能持续性的适应。

本论文的目的是提高加载PIN二极管的方阵列智能屏最佳化吸波结构的有效工作带宽，并在回顾超材料和智能材料后，提出一个新型的电磁智能屏(ESS)。为此，本文介绍了相关的数值方法和测量技术。并讨论了所提出的ESS的计算和测量特性和应用潜力。

1  简单准备和自由空间测量

一个ESS的简单准备是把铜涂在柔韧的PCB板(0.075mm厚，ε=3.5-0.Olj)上，然后再加载黑烟末(CB)合成物，图1所示是ESS的基本单元。模型的尺寸是20ms长,20ms宽，由浇铸的方法做成。表面的微波二极管工作频率在2〜8GHz,它们是人工焊接的。图2所示是ESS的结构模型。当二极管有一个有效电压时，它将得到一个很低的R,。当没有偏压时，二极管断开，故有一个很大的通过调整ESS可以使其成为一个可控函数。有一定厚度的CB硅树脂合成物被用于隔开柔韧的PCB和前面的金属，也是为共振结构提供适当的电解质损耗。因为ESS的吸收可能对化合物很敏感，因此，本文讨论的ESS的反射系数对厚度和化合物损耗的依赖性是基于数字模拟的。

2  数值分析

本文仿真采用的是基于有限元法的商用三维电磁仿真软件HFSS12。基于HFSS12中的ESS基本单元模型如图3所示。该基本单元采用四面体基本元,假定这个结构在横向上是无限的。二极管用来模拟连续电流模型的集总RLC边界条件。R是连续电阻，C_j是连接电容(0.2pF)°R_j是连接可调电阻。依靠外部偏置电流,R_j的电阻可以从几欧姆变化到几千欧姆。拥有平行于导体电场e和垂直于衬底表面的波矢量K的平面波可以阐明一般入射情况。频率边界条件可加在垂直于波矢的表面上,周期连续的边界条件(PCB)则可运用在平行于波矢量的表面上。金属衬底的ESS的反射率就是平均能量反射到当前能量的比率,其方程如下：

这里,R是反射系数，E^inc、H^inc、E^s、H^s分别是入射场和散射场的电场和磁场强度，S_in是入射波的前面矢量，n是S_in向外的方向。 

3  结果和讨论

运用自由空间测量方法和商业软件HFSS12以及有限阵列模型可对ESS进行模拟，在二极管开关不同状态下测量和计算传输系数。图4所示是其反射和入射传输系数，当二极管处于关态时，谐振频率在3.8GHz,而处于开态时为5.6GHz。ESS的传输系数在3~6GHz可调。，在3.8GHz时，其传输系数为－25dB,而在5.6GHz时为－54dB。

测试和仿真的结构在趋势上是一致的。二极管开关态引起的传输系数的变化就是ESS的主要调节手段。相应地，在二极管开关处于关态时，谐振频率在3.8GHz,而处于开态时，谐振频率可提高到5.6GHz。

4  结语

电磁智能屏被设计为周期结构，并且有薄而柔韧性好的高频衬底。测量的方法是自由空间系统的方法。测量的结果验证了有限元法仿真的结果。ESS的可调传输系数可以用于天线屏蔽器,辅助反射器和调节器。而ESS在可调反射系数和工作频带上，相比一般抗反射材料有很大的优势。