常見的幾種吸波結(jié)構(gòu)分析概述1.1Salisbury屏與Janmann屏最基本的Salisbury屏由距離導(dǎo)體理想四分之一波長處放置一塊電阻屏組成，如下圖中展示，Salisbury屏的工作原理可以被簡單解釋為電磁波入射后，經(jīng)過理想導(dǎo)體的反射后，電磁波會形成駐波，眾所周知，駐波是一種不傳播能量的波，故因此被稱為駐波。對駐波的描述可用駐波方程表示，通過駐波方程的理論可以看出，在距離理想導(dǎo)體四分之一波長處，電場會達(dá)到最強(qiáng)，若在此處引入損耗，若此時電阻屏為純電阻屏，且電阻屏的電阻率能夠準(zhǔn)確地達(dá)到時，入射Salisbury屏的電磁波在該波長對應(yīng)的頻點(diǎn)處能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配，完全吸收。Salisbury屏最大的優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，能夠制成厚度極小的吸波材料，但是它的缺點(diǎn)也十分明顯，下圖展示了Salisbury屏的頻率響應(yīng)，除了在中心吸波頻點(diǎn)外，Salisbury屏的吸波性能將會迅速惡化，通過提高Salisbury屏的介電常數(shù)，可以顯著降低Salisbury屏的幾何厚度，但是Salisbury屏的吸收帶寬也會有所下降。針對Salisbury屏的這個優(yōu)勢與劣勢，人們提出了Janmann屏。圖1.5Salisbury屏與其RLJanmann屏是一種Salisbury屏的拓展[13]，Salisbury屏具有一層的電阻層，如如所示，Janmann屏具有多層電阻層，每一層電阻層的距離為四分之一電磁波波長，通過多層的疊加，實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收的效果。Janmann屏的優(yōu)點(diǎn)也十分顯著，它繼承了Salisbury屏結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，通過簡單的電阻層疊加實(shí)現(xiàn)了寬帶吸波的目的，在實(shí)際建模與材料制備中，它的模型與等效電路也容易建立，具有良好的寬帶吸波效果，是一種性價比優(yōu)秀的材料。但它仍存在一些比較關(guān)鍵的缺點(diǎn)，在Janmann屏的實(shí)際使用中，它的最低工作頻率會被電阻屏與理想導(dǎo)體的距離所影響，即最低工作頻率與四分之一波長的距離掛鉤。與Salisbury屏一樣，通過提高介質(zhì)層的介電系數(shù)可以達(dá)到降低材料幾何結(jié)構(gòu)的目的，但是它的吸波性能也會存在明顯的惡化，尤其是在工作帶寬方面。圖1.6一種Janmann屏屏結(jié)構(gòu)與一種8層Janmann屏的頻率響應(yīng)1.2頻率選擇表面（FSS）、HIS結(jié)構(gòu)頻率選擇表面（FSS）是一種具有周期性單元結(jié)構(gòu)的表面，它與濾波器有著相似的工作機(jī)理，它作用于空間中，當(dāng)電磁波入射時，允許或阻止特定頻率的電磁波通過。針對Salisbury屏與Janmann屏存在的工作頻率受限、帶寬不足的一些缺點(diǎn)，引入FSS可以有效的改善這些缺點(diǎn)，提高吸波材料的工作性能。FSS存在特殊性質(zhì)，由其基本單元構(gòu)成，理想的FSS是無數(shù)個完全相同的基本單元在二維平面上的周期性排列。通過比較FSS是否具有損耗特性，F(xiàn)SS可以被分類為有耗FSS與無耗FSS；無耗FSS的基本單元是由理想導(dǎo)體組成的，鑒于實(shí)際世界中并不存在所謂的理想導(dǎo)體，所以在構(gòu)造無耗FSS時，使用到的代替品基本上都是一些諸如銀與銅的導(dǎo)電性能優(yōu)秀的金屬。有耗FSS顧名思義，就是存在損耗特性的頻率選擇表面，為了制備有耗FSS，往往采用在在已經(jīng)制備好的金屬無耗FSS表面焊接集總電阻，或直接對電阻膜進(jìn)行處理，將電阻膜周期化圖案化的方式制備。在有耗FSS的使用過程中，當(dāng)電磁波投射到頻率選擇表面上時，F(xiàn)SS的等效電路不僅包含電阻成分，而且也會包含電抗成分。正是因?yàn)殡娍钩煞值囊?，幫助FSS獲得了比Salisbury屏與Janmann屏更好的吸波性能。如下圖1.7所示，展示了一種常見的FSS結(jié)構(gòu)。圖1.7常見的一種FSS結(jié)構(gòu)當(dāng)電磁波垂直入射金屬板時，金屬板前處輸入阻抗達(dá)到了無窮大，等效于終端開路狀態(tài)，針對這一特性，在上世紀(jì)九十年代，Lynch等人提出了一種被稱為HIS的結(jié)構(gòu)，它由金屬制成的無耗FSS，介質(zhì)層以及金屬背板三個部分組成[14]，此HIS結(jié)構(gòu)厚度非常薄，且具有在諧振頻點(diǎn)上，它的阻抗為無窮大的特性。經(jīng)過HIS結(jié)構(gòu)反射的電磁波與入射的電磁波的電場分量相位相同，這一特點(diǎn)導(dǎo)致了在HIS結(jié)構(gòu)的表面，電場的分布非常的密集，而磁場的分布則最為稀疏，這個特點(diǎn)則與理想磁導(dǎo)體有一些類似。針對HIS結(jié)構(gòu)的特性，人們也開展了許多有關(guān)方向的研究，例如Engheta博士等人提出了使用HIS結(jié)構(gòu)替代Salisbury屏中的厚度介質(zhì)層的方案，以設(shè)計更為輕薄的吸波材料[15]。HIS結(jié)構(gòu)的示意圖在下方的圖片中展示，如圖1.8所示，在HIS結(jié)構(gòu)的諧振頻點(diǎn)上，它的反射系數(shù)接近于1，這也代表著入射的電磁波幾乎大部分都被反射。通過在HIS結(jié)構(gòu)表面放置一層阻值適當(dāng)?shù)碾娮鑼踊蛘唠娮璞∧?，可以使材料整體與自由空間達(dá)到阻抗匹配，此后，被反射的電磁波占入射電磁波的比例將會大大降低，設(shè)計出了工作性能良好的吸波材料。圖1.8（a）HIS結(jié)構(gòu)（b）超薄HIS結(jié)構(gòu)的示意圖此外，經(jīng)過眾多科研人員的研究，通過將HIS結(jié)構(gòu)中的無耗FSS（金屬FSS）替換為有耗FSS（阻抗性FSS）后，可以拓展吸波材料的吸波帶寬，設(shè)計具有寬帶吸波特性的材料。Costa等人在2010年也對此結(jié)構(gòu)的吸波特性進(jìn)行了研究，在Costa等人的研究中，他們通過等效電路法將FSS結(jié)構(gòu)等效為RLC電路模型，最終可轉(zhuǎn)化為與傳輸線并聯(lián)連接的RLC諧振電路，他們對HIS結(jié)構(gòu)的吸波原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并且也說明了HIS結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，在詮釋理論部分后，他們也討論并展示了一種窄帶吸波結(jié)構(gòu)與一種寬帶吸波結(jié)構(gòu)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)HIS結(jié)構(gòu)的吸波性能大大好于Salisbury結(jié)構(gòu)與Janmann結(jié)構(gòu)[16]。并且在他們的制造過程中，為了給FSS表面增加電阻層，他們采用了與傳統(tǒng)焊接不同的印刷油墨的方法，與傳統(tǒng)焊接集總電阻的方法相比，此方法有效的精簡了阻抗性FSS的制備工藝，減少了工藝過程中帶來的誤差，也降低了制造的成本，值得推廣。他們制備的FSS如下圖所示。圖1.9吸波結(jié)構(gòu)樣品照片1.3超材料吸波結(jié)構(gòu)超材料（Metamaterial）是一種新興的概念，這個詞語的最初的詞源來源于古羅馬語中的一個詞“mata”，它具有越過，超過的意思。顧名思義，超材料是一種具有許多自然材料不具備的反常規(guī)的，物理性質(zhì)不同于常識的一種人造材料。如我們在初中物理課堂上所學(xué)到的知識一樣，在光線的折射過程中，入射光線與折射光線在法線上的分布情況，我們可以觀察到它們分布在法線的不同側(cè)。例如從法線左側(cè)入射的光線，會從法線的右側(cè)射出，這種材料被稱為右手介質(zhì)；但是，當(dāng)光線入射一種被稱為左手媒質(zhì)的超材料時，情況會如下圖所示，入射光線與折射光線并不會出現(xiàn)在法線的異側(cè)。除此之外，不同的Metamaterial還具有許多與我們常識不相符的性質(zhì)，如逆多普勒效應(yīng)（由于在左手媒質(zhì)中，相速與群速度是相反的，導(dǎo)致了在波源與觀察者相向而行時，觀察者所觀察到的頻率會降低），逆Cherenkov輻射（帶電粒子在媒質(zhì)的運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的輻射波的輻射方向與帶電粒子的運(yùn)動方向形成一個向后的鈍角）等。圖1.10左手媒質(zhì)與右手介質(zhì)的不同人們在很早的時間（20世紀(jì)60年代）就開始了對超材料的研究，但是對于將超材料與吸波結(jié)構(gòu)的研究則顯得才剛剛起步，最早于2008年，Sajuyigbe[17]等人第一次提出了一種利用超材料的吸波材料，此結(jié)構(gòu)的三個主要組成部分有：環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)、金屬條以及介質(zhì)基板。該種材料的幾何結(jié)構(gòu)以及吸波能力如下圖1.11、1.12所示。(a)環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)(b)金屬條(c)介質(zhì)基板圖1.11經(jīng)過Sajuyigbe等人提出的超材料吸波結(jié)構(gòu)圖1.12超材料吸波結(jié)構(gòu)的工作性能(吸波率、反射率、透射率)我們可以看到，Sajuyigbe等人提出的吸波結(jié)構(gòu)在11.6GHz時有著非常好的吸波性能，達(dá)到了接近完美吸波。但是Sajuyigbe等人的吸波結(jié)構(gòu)也存在著一定的問題，例如在電磁波垂直入射的情況下，電磁波會得到很好的吸收，但是在斜入射的情況下，它的工作性能會急速惡化，在入射角增大到24.5°時，吸波率已經(jīng)惡化到0，考察其中的原因，可能是Sajuyigbe提出的結(jié)構(gòu)并不是一個中心對稱結(jié)構(gòu)，該設(shè)計造成了此材料對極化的方向存在差別以及入射角度較大的電磁波較為敏感。此后，在設(shè)計超材料吸波結(jié)構(gòu)時，研究人員都需要充分考慮到對稱性這一特點(diǎn)。YanpingZhang等人提出了一種極化不敏感的吸波材料，這種結(jié)構(gòu)是樹枝狀的，通過嚴(yán)格對稱的設(shè)計，確保了該材料的極化不敏感性[18]。在材料方面，主要使用了FR-4介質(zhì)板，以及金屬銅，通過在介質(zhì)板的真面與反面印刷金屬銅樹狀分叉，來達(dá)成吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計。根據(jù)Zhang等人的數(shù)據(jù)，該結(jié)構(gòu)在8.65GHz時的吸波率超過了93%，同時嚴(yán)格對稱的結(jié)構(gòu)也給它帶來了良好的極化不敏感性。圖1.13Zhang/等人設(shè)計的吸波結(jié)構(gòu)通過將材料的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計為完全對稱的形狀，可以解決超材料吸波結(jié)構(gòu)極化敏感性的問題，但是為了提高吸波材料的入射角度，需要想辦法解決金屬結(jié)構(gòu)的問題，需要合理的設(shè)計介質(zhì)板上的金屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在Zhai等人的研究中，他們通過研究，比較合理的同時解決了這兩個問題，設(shè)計出的結(jié)構(gòu)同時具有極化不敏感性以及寬入射角度。在他們的設(shè)計中，使用了耶路撒冷十字的諧振結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為金屬銅，介質(zhì)板使用的也是FR-4，通過在介質(zhì)板的兩面印刷耶路撒冷十字結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)對幾何模型的構(gòu)建。他們的研究模型如下圖所示。各個部分的尺寸參數(shù)為a=5mm，g=0.75mm，v=0.65mm，l=18.2mm，w=1.05mm。圖1.14Zhai等人設(shè)計的吸波結(jié)構(gòu)通過對模型進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如下圖所