研究背景

超材料是一種由人工設計的周期性亞波長單元結構構成的電磁復合材料，傳統超材料一旦結構確定，其電磁特性也隨之固定，限制了超材料的應用。近年來，研究人員提出了許多電磁波調控方法，如磁可調利于鐵氧化體實現對負磁導率的調控；電可調利用石墨烯、變容二極管、液晶等通過外加電場變化實現調控，以及溫控材料二氧化釩(VO2)有相變的特性。吸波性能一直是電磁超材料的一個重要應用。通過改變微觀結構的形狀和幾何尺寸來調節等效電磁參數，使得設計結構的阻抗與自由空間相匹配，理論上可以實現完美吸收。超材料吸波器包括超窄帶、雙波段、多波段、寬帶等多種類型的吸波器。其中多波段的超材料吸波器能夠實現幾個不同頻率的吸收，通過引入多個共面諧振器，由不同中心諧振頻率實現多頻吸收，還可以通過垂直堆疊交替的多層結構來實現，但存在太厚重的缺點。

團隊工作

針對此問題，黃山學院寧仁霞副教授團隊提出用于微波段的可調超材料吸波器設計來實現多波段吸波效果。該結構由頂層金屬諧振層、中間介質層以及金屬底板三層材料組成，頂層結構由兩組長度成一定比例的閉口金屬環和一個十字形(CSR)諧振器組成。此可調諧超材料吸波器在5~12 GHz 頻率范圍內具有三個獨立可調的工作頻段(C和X波段)，分別為6.36 GHz、7.96 GHz、12.12 GHz，吸收率分別為93.7%、99.9%和99.3%。

該工作已發表在《電波科學學報》2023年第38卷第3期。（寧仁霞，王菲，陸佳樂，李陸洋，任其林，焦錚）

論文介紹

仿真分析了四分之一波長微帶線避雷器的不足，通過對分節微帶線、串聯電感的仿真優化，拓展了雷電保護電路的帶寬，仿真結果表明防護電路在1GHz到3GHz內具有良好的電壓駐波比即寬帶特性.利用電壓梯度法實現器件間的組合匹配，提高了雷電保護器的性能.實測結果表明,在注入組合波波形為1.2/50μs&8/20μs，電壓峰值10kV的雷電磁脈沖下，輸出殘壓為79V.

研究結果表明，在大角度入射時，該吸波器可保持較高的吸收效率。此外研究了設計結構的可調諧性，當頂層的二氧化釩（VO2）處于全金屬狀態時，微波段有三個吸收峰，吸收率最高值分別為0.939、0.827、0.92。由于VO2的電導率從30000 S/m到200 000S/m變化，吸收率在三個吸收峰上實現了動態可調。該研究結果在多波段傳感檢測中有潛在的應用前景。

圖1超材料吸波器單元結構圖

圖2超材料吸波器單元結構正常入射下的吸收光譜和歸一化等效阻抗

圖3正入射下TM模式的三個諧振點處磁場分布

圖4不同波模式和偏振角φ下的吸收光譜

圖5不同波模式和入射角θ下的吸收光譜

圖6TM模式下吸收光譜隨幾何參數的變化

圖7不同波模式下吸收光譜隨VO2電導率的變化

作者介紹

仿真分析了四分之一波長微帶線避雷器的不足，通過對分節微帶線、串聯電感的仿真優化，拓展了雷電保護電路的帶寬，仿真結果表明防護電路在1GHz到3GHz內具有良好的電壓駐波比即寬帶特性.利用電壓梯度法實現器件間的組合匹配，提高了雷電保護器的性能.實測結果表明,在注入組合波波形為1.2/50μs&8/20μs，電壓峰值10kV的雷電磁脈沖下，輸出殘壓為79V.

審核編輯：湯梓紅