超薄三频段超材料吸收器：99.9%效率、宽角度稳定性，适用共形X/Ku频段应用

摘要

本文提出一种超薄柔性三频段超材料吸收器（MA）。该吸收器设计在8.5、13.5和17 GHz（X和Ku频段）处拥有三个吸收峰，吸收率分别达99.9%、99.5%和99.9%。结构总厚度仅0.4 mm，约为三个吸收频率对应自由空间波长的1/88、1/55和1/44。得益于对称几何结构，吸收器对偏振不敏感。此外，TE极化入射下60°入射角内吸收率最低86%，TM极化下60°入射角吸收率超99%。通过表面电流和电场分布分析吸收机制，并进行参数优化。实验在柔性介质上制备20×30单元周期样品验证性能：正入射下各吸收峰近完美吸收，实验结果与仿真一致。凭借宽入射角高效吸收优势，该吸收器可用于能量收集和电磁屏蔽。

引言

近年来，超材料因负折射率、完美成像、反多普勒效应等奇特性质受广泛关注。这些特性使超材料可用于电磁隐身、超灵敏传感、滤波器和吸收器等器件。特别是超材料吸收器（MA）相比传统微波吸收器，具有轻量化、薄型化优势，应用领域从军事延伸至消费电子。2008年Landy等人首次提出完美MA。随后研究者提出单频带、双频带、多频带和宽带吸收器。多频带MA可在多个离散频率实现完美吸收，适用于多频带传感。通常构建多频带MA有两种方法：共面构造法将不同尺寸谐振器集成成超单元结构；垂直堆叠法采用交替多层结构。但这两种方法均不理想：共面法不可避免增大单元尺寸，堆叠法难消除厚度大、重量重的缺点。近期虽有简化结构设计实现多频带吸收，但大入射角吸收性能仍需提升。本文提出一种兼具结构紧凑、超薄、轻量、易制造的设计方法。单元设计使三频带MA在大入射角仍保持高吸收。仿真显示三个吸收峰分别位于8.5、13.5、17 GHz，吸收率达99.9%、99.5%、99.9%。对称结构确保对偏振角不敏感。TE极化下60°入射角吸收率>86%，TM极化下>99%。分析几何参数与吸收谱关系。制备20×30单元原型验证性能，实验与仿真一致。因厚度小、大角度有效，吸收器制备在高柔性聚酰亚胺薄膜上，可用于非平面共形应用。

方法/实验

图1展示单元几何结构：谐振层、介质层、金属接地层。谐振结构包含分裂环谐振器（SRR）、改性环谐振器（MRR）及八个沿单元中心旋转45°的相同7字形结构。顶层图案层和底层接地层为0.02 mm厚铜，电导率5.8×10⁷ S/m。基底为聚酰亚胺，相对介电常数2.9，损耗角正切0.02。优化参数见表1。采用有限差分时域（FDTD）仿真，x、y向周期性边界条件，z向Floquet端口条件。假设平面电磁波入射MA表面。吸收率A(ω)=1-|S₁₁(ω)|²-|S₂₁(ω)|²，因铜接地层全反射S₂₁=0，简化为A(ω)=1-|S₁₁(ω)|²。正入射仿真反射和吸收谱见图2a。三吸收峰分别位于8.5、13.5、17 GHz，吸收率99.9%、99.5%、99.9%，对应品质因子Q分别为26.8、28.4、27.1。图2b显示不同偏振角下吸收谱，0°-90°吸收稳定，不敏感于偏振。进一步研究斜入射角θ下吸收：TE极化（图2c）随θ增大吸收率下降，因TE波电场水平分量减小，环流电流效果减弱，但三吸收峰在θ=60°仍>86%。TM极化（图2d）θ=60°时各共振峰吸收率>99%，因吸收对θ增加引起的电场变化不敏感。另一优势为吸收频率稳定性，三吸收峰随θ增加无显著漂移（图2）。

结果与讨论

为详细解释吸收机制，图3展示谐振结构不同部分响应谱。图案层各元件各自产生强烈共振，组合实现完美多频带吸收。MRR设计在闭合环谐振器四角添加方形贴片，增加环谐振器电长度，红移吸收频率而不增大结构尺寸。图4展示三吸收峰对应顶底金属层表面电流分布。顶层图案层表面电流分别集中在MRR、SRR、7字形结构（对应8.5、13.5、17 GHz）。底层接地层电流强度弱得多。顶层电流方向与接地面反平行，形成等效电流回路激发磁偶极子。图5展示TE极化入射下不同入射角θ（0°、30°、60°）时MA内电场幅值分布（|E|）。8.5 GHz时电场强集中于MRR水平条；13.5 GHz时SRR中LC共振导致完美吸收；17 GHz时内部贴片偶极子共振吸收。顶层谐振器也产生电共振，磁电共振共同贡献强电磁吸收。随θ增加场强减弱，吸收随之降低。

图6分析几何参数对吸收影响。图6a：周期性a增加，谐振频率蓝移。图6b：SRR间隙宽度b增加，等效电容减小，中心共振峰蓝移，上下两峰基本不变，便于单独调谐。图6c：环条宽度w₂增加，下部和中心谐振频率红移，因w₂增加使SRR与MRR距离减小，等效电容增大。图6d：7字形贴片宽度w₃增加，上部谐振频率红移，因内部谐振器等效电感增加。图7a展示240 mm×160 mm原型（20×30单元），聚酰亚胺表面蒸发铜层后激光蚀刻制备。测量装置（图7b）采用自由空间法，喇叭天线连接矢量网络分析仪（R&S ZVA 40）测量反射。同尺寸铜板作为参考，实测反射减去参考得真实反射。图8a为铜板和样品反射谱，8b为吸收率。实测吸收率在8.7、14.1、17.6 GHz分别为96%、97%、94%，峰值频率因加工公差和基底介电常数差异略微蓝移。图9显示不同偏振角（0°、30°、60°）实测吸收，结构对偏振不敏感。图10给出TE和TM极化下θ=30°、60°实测吸收谱，两极化在θ=60°时所有吸收峰吸收率均>95%。

吸收器制备在高柔性聚酰亚胺薄膜上，适用非平面应用。图11a吸收器弯曲贴附于半径8 cm圆柱体测量吸收。图11b平坦与共形吸收器吸收谱对比，两者吸收率相近，三共振峰峰值吸收弯曲前后基本一致，这对共形应用至关重要。

结论

本文提出超薄柔性三频带MA。总厚度0.4 mm，约为最低吸收频率自由空间波长1/88。吸收器在60°入射角下仍保持高吸收（TE>86%，TM>99%）。对称结构确保对偏振不敏感。制备20×30单元样品测量不同入射角，结果显示大角度下高吸收。吸收器制备在柔性聚酰亚胺薄膜上，易用于非平面共形应用。该吸收器在能量收集和电磁屏蔽领域具有巨大应用潜力。

数据与材料可用性

所有数据无限制公开可用。

缩略语

MA:

超材料吸收器

EM:

电磁

SRR:

分裂环谐振器

MRR:

改性环谐振器

FDTD:

有限差分时域