[26]。

第二章基本理論和設(shè)計方法2.1基本原理吸波效率由公式表示：A其中A(ω)為吸收率，R(ω)和T(ω)分別表示頻率ω對應(yīng)的反射率與透射率。顯然，若要實現(xiàn)高效吸波，需同時抑制反射與透射。本設(shè)計采用金屬薄膜作為接地板，通過趨膚效應(yīng)使透射率T(ω)≈0，從而將吸波效率簡化為A()=1?R(ω)。為實現(xiàn)多頻段阻抗匹配，需對單元結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保各吸收頻點處等效阻抗與自由空間阻抗(Z0=377Ω)相匹配。2.2設(shè)計思路圖2-1分別展示了此次超材料吸波器的參數(shù)設(shè)置以及結(jié)構(gòu)分布，從上到下采用三層堆疊結(jié)構(gòu)，分別為：（1）頂層諧振層：由周期性排列的銅質(zhì)閉合環(huán)諧振器（CRRs）和多層嵌套的銅質(zhì)閉合環(huán)諧振器陣列構(gòu)成，通過電偶極矩與入射電場耦合產(chǎn)生多頻段電諧振；（2）中間介質(zhì)層：采用FR-4基板（介電常數(shù)εr=4，損耗角正切tan=0.02）實現(xiàn)電磁場局域增強(qiáng)；（3）底層反射層：銅質(zhì)金屬背板通過激發(fā)反向鏡像電流形成磁諧振，其與頂層電流的相位反置特性可有效抵消透射波前。圖2-1實驗參數(shù)設(shè)置第三章仿真分析與性能驗證3.1設(shè)計思路由圖看出，主要參數(shù)有諧振環(huán)尺寸（L1、L2、L3）、介質(zhì)層厚度（t2）以及諧振環(huán)數(shù)量，那么主要從以下三方面探究：（1）單個和多個諧振環(huán)對吸波效率的影響；（2）不同諧振環(huán)尺寸（L1）對吸波效率的影響；（3）中間介質(zhì)層不同面積對吸波效率的影響（4）不同介質(zhì)層厚度對吸波效率的影響。其中，為了更直觀的分析吸波性能，在所用軟件中鍵入計算電磁波公式：A其中，Tω3.2初始參數(shù)設(shè)置初始參數(shù)值選取為：a=10mm、L1、=9.6mm、L2=7.3mm、L3=5.5mm，t1=0.018mm、t2=0.78mm、w=0.5mm。在接下來的內(nèi)容中，無特殊說明均采用這幾個值作為研究對象。3.3探究諧振環(huán)的數(shù)量對吸波效率的影響圖3-1三種設(shè)計結(jié)構(gòu)俯視圖（a）（b）（c）3.3.1單層諧振環(huán)的吸波仿真對于圖3-1中的結(jié)構(gòu)（a），得到關(guān)于吸波頻率的仿真數(shù)據(jù)如下圖（圖3-2）：圖3-2結(jié)構(gòu)（a）的吸波情況由圖3-2可以觀察到，在實驗所測波段2GHz-12GHz這個范圍內(nèi)，此吸波結(jié)構(gòu)均有50%以上的吸波效率，在8GHz-11GHz范圍內(nèi)突變，呈現(xiàn)上升-下降的變化情況，有明顯的吸波特性提升，其中在9.24GHz時吸波效率最好，峰值吸波率在89.7%。3.3.2雙層嵌套諧振環(huán)的吸波仿真對于結(jié)構(gòu)（b），得到關(guān)于吸波頻率的仿真數(shù)據(jù)如下圖（圖3-3和圖3-4）：圖3-3結(jié)構(gòu)（b）的吸波情況1圖3-4結(jié)構(gòu)（b）的吸波情況2由圖3-3和圖3-4可以觀察到，在實驗所測波段2GHz-12GHz這個范圍內(nèi)，此吸波結(jié)構(gòu)也均有50%以上的吸波效率，其中在5GHz-8GHz、8GHz-11GHz范圍均呈現(xiàn)上升-下降的變化情況，此范圍內(nèi)有明顯的吸波特性提升，在9.24GHz時吸波效率最好，達(dá)到峰值吸波率94.1%，在6.63GHz次之，達(dá)到峰值吸波率在91.9%。3.3.3三層嵌套諧振環(huán)的吸波仿真對于結(jié)構(gòu)（c），得到仿真數(shù)據(jù)如下圖3-5結(jié)構(gòu)（c）的吸波情況1圖3-6結(jié)構(gòu)（c）的吸波情況2圖3-7結(jié)構(gòu)（c）的吸波情況3由圖3-5、圖3-6和圖3-7可以觀察到，在實驗所測波段2GHz-12GHz這個范圍內(nèi)，此吸波結(jié)構(gòu)也均有50%以上的吸波效率，其中在3GHz-5GHz、6GHz-8GHz、8GHz-11GHz范圍呈現(xiàn)3次上升到峰值下降，且在此范圍相對于結(jié)構(gòu)（a）（b）內(nèi)有全方位的吸波特性提升，分別在4.02GHz時吸波效率最好，峰值吸波率在96.9%，在6.84GHz次之，峰值吸波率在91.6%，以及在9.47GHz峰值吸波率在90.9%。3.3.4結(jié)論在其他因素不變的情況下，只改變諧振環(huán)的個數(shù)，能對吸波效率產(chǎn)生顯著影響，由此可以得出結(jié)論：在控制其他因素不變的情況下，隨著諧振環(huán)的增多，不同波段的吸波效率均有所提升，且吸波率峰值也有提升，且越靠近中間層的諧振環(huán)，吸波效率峰值越高。3.4中間介質(zhì)層不同面積對吸波效率的影響為了探究中間介質(zhì)層不同面積對吸波效率的影響，也就是改變a的值。分別對結(jié)構(gòu)（c）改變其a的值，從而探究其對吸波效率的影響。現(xiàn)采用三個不同邊長分別為a=9.6mm，a=10mm，a=11mm的。得到仿真圖如下（圖3-8）。圖3-8中間介質(zhì)層不同面積對吸波效率的影響由圖3-8可以看出，當(dāng)a=9.6mm時，a和L1長度相同，此時吸收峰變?yōu)閮蓚€，此時的兩個吸波峰吸波效率均大于90%，同時，存在的兩組吸波峰值均大于其他兩組在相同位置的吸波峰值；當(dāng)a=10mm時，a>L1，此時有三個吸收峰，且吸波效率也均大于90%；當(dāng)a=11mm時，也滿足a>L1，此時吸波頻段向右移，吸波效率變化不明顯。3.5不同諧振環(huán)尺寸（L1）對吸波效率的影響為了探究不同諧振環(huán)尺寸（L1）對吸波效率的影響，即是L1在9.5mm-9.7mm情況下分別間隔0.1mm（9.5mm、9.6mm、9.7mm）的吸波效率，得到如下吸波效率仿真結(jié)果圖，即如下圖（圖3-9）所示：圖3-9不同諧振環(huán)尺寸（L1）對吸波效率的影響由圖3-9不難看出改變L1的值對于吸波效率的影響不明顯，具有明顯變化的是隨著L1的增大，吸波峰出現(xiàn)向左偏移的特性，觀察不同L1下的三座吸波峰，最右側(cè)的吸波峰無明顯偏移，中間的吸波峰有細(xì)微的向左偏移傾向，最左側(cè)的吸波峰向左偏移最明顯，其中吸波效率峰值基本無變化。3.6同一介質(zhì)層不同厚度對吸波效率的影響為了確保實驗的準(zhǔn)確性，首先確保其他相關(guān)變量不變，只改變t2的值，選取5組參數(shù)，分別是0.74mm、0.78mm、0.82mm、0.86mm和0.90mm，得到如下圖（圖3-10和圖3-11）吸波效率仿真結(jié)果：圖3-10不同介質(zhì)層厚度對吸波效率的影響1圖3-11不同介質(zhì)層厚度對吸波效率的影響2觀察圖3-10和圖3-11可以看出隨著介質(zhì)層厚度增大，出現(xiàn)吸波峰向左偏移，中間和最右側(cè)的吸收峰向左偏移不明顯，吸波效率并沒有較大差異，但隨著介質(zhì)層厚度的增加，吸波峰值隨之增大，同時三座吸波峰峰值均有小幅度（不超過2%）提升，其中在0.82mm時三座吸波峰均達(dá)到最大值，隨著繼續(xù)增大介質(zhì)層厚度t2，繼續(xù)出現(xiàn)吸波峰向左偏移，位于最左側(cè)的吸波峰吸收效率開始出現(xiàn)下降，位于中間和右側(cè)的吸波峰開始出現(xiàn)吸波峰峰值上升的情況，3.7歸納總結(jié)吸波性能最好的吸波結(jié)構(gòu)通過對比不同變量條件下的數(shù)據(jù)，找到吸波頻段最多且在相應(yīng)的吸波頻段吸波效率最高的吸波結(jié)構(gòu)如下圖（圖3-12、圖3-13和圖3-14）所示：圖3-12結(jié)構(gòu)（c）在t2=8.2mm時的吸波情況1圖3-13結(jié)構(gòu)（c）在t2=8.2mm時的吸波情況2圖3-14結(jié)構(gòu)（c）在t2=8.2mm時的吸波情況3經(jīng)過3次不同探索方向的參數(shù)設(shè)計與仿真，得到在2GHz-12GHz頻段下吸波效率最好的結(jié)構(gòu)（c），在a=10mm、L1、=9.6mm、L2=7.3mm、L3=5.5mm，t1=0.018mm、t2=0.82mm、w=0.5mm時能分別在3.98GHz、6.83GHz及9.48GHz頻點的吸收率分別達(dá)到97.7%、93.1%和92.7%（吸波效率均大于90%）。

第四章總結(jié)與展望4.1本文工作總結(jié)本研究采用基于CSTMicrowaveStudio?2023電磁仿真平臺進(jìn)行超材料吸波器的優(yōu)化設(shè)計與性能驗證。建立三維仿真模型時，x與y方向設(shè)置周期性邊界條件，z方向采用開放邊界以模擬自由空間傳播環(huán)境。材料參數(shù)設(shè)置如下：銅層電導(dǎo)率σCu=5.8×107°s/m，介質(zhì)基板相對介電常數(shù)ε=4，損耗角正切通過前后置波導(dǎo)端口獲取散射參數(shù)，計算得反射率R(ω)=|S11|2,而金屬背板使透射率T(ω)=|S21|研究方法采用參數(shù)掃描與物理模型指導(dǎo)相結(jié)合的策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)過對諧振環(huán)數(shù)量、諧振環(huán)尺寸（L1、L2、L3）以及介質(zhì)層厚度（t2）以及中間介質(zhì)層面積等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行離散化掃描，分析其對吸收峰頻點及幅值的影響規(guī)律。先從增加諧振環(huán)的數(shù)量發(fā)現(xiàn)，三層諧振環(huán)模型的吸波性能最好，效率最高。其次是外環(huán)邊長L1從9.5mm逐步增加至9.7mm時，低頻吸收峰（4.02GHz）呈現(xiàn)紅移特性（頻率降低），最終確定L1=9.6mm為最優(yōu)值。介質(zhì)層厚度（t2=0.82mm）的優(yōu)化則聚焦于阻抗匹配，使等效阻抗（Zeff）接近自由空間阻抗（377Ω），從而最大程度抑制反射。此外，單元周期（a=10mm）的設(shè)計滿足亞波長條件（a<λ/2a<λ/2），避免高階衍射模式干擾主諧振峰；線寬（w=0.5mm）與銅層厚度（t1=0.018mm）的選取則兼顧電場局域化增強(qiáng)與趨膚效應(yīng)下的透射率抑制（T≈0）。經(jīng)此參數(shù)優(yōu)化后，吸波器吸波性能最好的結(jié)構(gòu)尺寸確定為（單位：mm）：L1=9.6，L2=7.3，L3=5.5，單元周期a=10，線寬w=0.5，銅層厚度t1=0.018，介質(zhì)層厚度t2=0.82。相較于傳統(tǒng)單頻吸波器，本研究驗證了多頻段吸波器的混合損耗機(jī)制：通過調(diào)節(jié)介質(zhì)基板損耗因子（tanδ）與金屬電導(dǎo)率（σ），可獨立調(diào)控各頻段吸收效率。本文成功設(shè)計并制備了一種三頻段微波超材料吸波器，實驗測得其在4.06GHz、6.73GHz及9.22GHz頻點的吸收率分別達(dá)到97.7%、93.1%和92.7%。該吸波器具有以下顯著優(yōu)勢：（1）極化魯棒性：四重對稱結(jié)構(gòu)確保TE/TM極化波吸收率差異小于3%；（2）結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性：通過嵌套閉合環(huán)諧振器（CRRs）的模塊化組合，可在單一亞波長單元內(nèi)實現(xiàn)單頻至多頻吸波功能；（3）頻段可調(diào)性：基于幾何尺度縮放原理，該設(shè)計可拓展至太赫茲頻段。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本設(shè)計突破傳統(tǒng)多頻吸波器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、角度敏感性高等局限，在爆炸物探測、輻射熱測量、光譜成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。4.2今后工作展望本研究設(shè)計的三頻段吸波器在微波頻段（3.98GHz、6.83GHz及9.48GHz）實現(xiàn)了高效吸收，并在很大程度上解決了傳統(tǒng)吸波器的極化敏感與角度依賴問題。但未來仍有改進(jìn)空間，可以從以下5方面入手：（1）帶寬擴(kuò)展：當(dāng)前吸收峰集中于離散頻點，未來可通過引入梯度介質(zhì)層或混合諧振單元（如十字環(huán)+開口環(huán)），拓寬各頻段吸收帶寬，適應(yīng)超寬帶通信需求。（2）動態(tài)調(diào)諧：結(jié)合相變材料（如VO?）或液晶材料，利用溫度、電壓調(diào)控諧振特性，實現(xiàn)頻點與吸收率的主動調(diào)節(jié)，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。（3）柔性設(shè)計：替換剛性FR-4基板為聚酰亞胺（PI）等柔性材料，結(jié)合納米銀線導(dǎo)電層，開發(fā)可彎曲吸波器，適配可穿戴設(shè)備與曲面載體。（4）高頻段遷移：按波長比例微縮結(jié)構(gòu)至微米級，探索太赫茲頻段應(yīng)用，但需優(yōu)化材料（如低損耗氮化硅）以抑制高頻介質(zhì)損耗。（5）環(huán)境可靠性：研究高溫、高濕等極端條件下吸波器的性能穩(wěn)定性，結(jié)合多物理場仿真分析熱膨脹等潛在失效機(jī)制，推動其在航空航天中的應(yīng)用。在不遠(yuǎn)的未來，通過材料創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，超材料吸波器有望在智能通信、隱身技術(shù)及電磁安全領(lǐng)域發(fā)揮更大價值。

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