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超材料在宽频微波衰减吸收材料中的应用研究进展91超材料在宽频微波衰减吸收材料中的应用研究进展ApplicationDevelopmentsofMetamaterialsinWidebandMicrowaveAbsorbingMaterials周卓辉,黄大庆。,刘晓来,牟维琦,康飞宇。(1北京化工大学理学院,北京100029;2北京航空材料研究院,北京100095;3清华大学材料学院,北京1O0O83)———ZHOUZhuohui,HUANGDaqing~,LIUXiaolai,——MOUWeiqi。KANGFeiyu。(1CollegeofScience,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China;2BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;3SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100083,China)摘要:主要对不同吸波机理扩展超材料微波吸收体衰减吸收频带的研究现状进行了综述,包括基于谐振吸收、加载集总元件、加载电阻材料的频带扩展方法以及通过可调超材料实现超材料吸波体的智能化吸收和宽频吸收的方法,重点讨论了分形学曲线在超材料设计中的应用,分析了其能通过小的尺寸实现低频谐振吸收的优点以及分形学图案自带的频带扩展能力,提出了分形学曲线和图案是未来超材料吸波体发展的一个重要途径。关键词:超材料吸波体;宽频带;分形曲线;分形图案—doi:10.11868/j.issn.10014381.2014.05.016中图分类号:0441.6文献标识码:A——文章编号:10014381(2014)050091-06—Abstract:Thedevelopmentprocess0metamaterialusedasradarabsorberanditscurrentresearchsituationwerereviewed.Especially,thedifferentwaysofextendingradarabsorbingbandwidthofmeta-—materialswerediscussedonthebasisofdifferentabsorbingmechanism,whichincludedresonanceabsorption,loadinglumpedcomponentsandloadingresistancematerials.Theadjustablemetamaterialwasalsoanoptiontoachieveintelligentabsorptionandbroadbandabsorption.Thefractalcurveand—fractalpatterninmetamaterialsabsorberdesignwhichcanresonateatlowfrequencyinsmallsizefoot’printwerediscussed,atthesametimethefractalpatternSbandexpansioncapabilitieswasanupmostimportantmerittogainwiderbandwidth.Accordingtothoseadvantages,thefractalcurveandthefractalpatterndesignisconcernedasprospectedstructurestoachieveperfectwidebandabsorptioninthefuture.Keywords:metamaterialabsorber;wideband;fractalcurve;fractalpattern超材料是一种由金属和介质复合而成的具有负折射率性质的人工电磁材料_】]。最初研究超材料时,人们主要关注的是如何实现其等效负折射率、等效负“介电常数[3]和等效负磁导率l_5],设计出一系列的结构去实现超材料的左手性质,例如开口谐振环(SplitRingResonator,SRR)l2]、S形谐振环[6],螺旋线结构_7等。通过构建渐变的电磁参数去实现隐身斗篷也是人们的关注点之一_8],然而超材料的最大特点是通过超材料结构的设计实现人们所需要的折射率、介电常数和磁导率,这就为超材料在吸波材料上的应用提供了有利条件。众所周知,实现隐身材料优良吸波性能的两个关键因素之一是实现材料与空气的阻抗匹配[9],因此,理论上可以通过对超材料结构的设计获得实现阻抗匹配所需要的电磁参数,从而实现入射波的零反射。2008年,Landy等口叩首先提出了由电谐振“”器、电介质基板和金属微带线构成的具有完美吸收特点的电磁耦合结构吸波体,之后人们对超材料吸波体的完美吸收产生了极大的兴趣,提出了各种结构的超材料在宽频微波衰减吸收材料中的应用研究进展95要较大的尺寸,这就导致在非谐振频段,SRR超材料结构会有很大的反射,这不利于扩展超材料吸波体的带宽;而引入分形学曲线可改善这个问题,因为分形学曲线的最大优点就是能在很小的尺寸下实现低频的谐振l_2。。与此同时,分形学图案的每一级都相当一个微小的谐振单元,不需要牺牲吸波体的厚度去实现多频段谐振,所以分形学图案可能是未来超材料吸波体设计发展的一个理想方案。综上所述,不同结构超材料吸波体的吸波机理及其优缺点如表1所示,由机理对比分析可以看出,超材料获得吸波性能最根本的方法是通过金属单元的谐振吸收。而加宽其吸波频带的方法一是通过多单元结构的设计实现多带宽吸收_】,二是通过加大消耗从而增加单峰的吸波带宽。仅仅从方法本身来看,多单元结构容易实现多带宽吸收,却不容易实现宽频吸收,改变消耗机制能增加单峰的带宽却不容易大规模制作。因此如何将这两个方法有效地结合起来是未来超材料吸波体发展成为宽频吸波材料的必经途径。表1不同吸波体的优缺点比较Table1Thecomparisonoftheadvantagesanddisadvantagesofdifferentabsorber5结束语本文主要对超材料吸波体频带扩展的规律及其不同扩展途径的研究现状进行了综述,总结了不同超材料吸波体的吸波机理及其优缺点,重点分析了基于分形学曲线的超材料设计方案及其作为吸波体的设计方案的特点,其很小的尺寸可以实现低频谐振以及分形学图案本身所具有的多级多谐振频率的特征都可以用于吸波带宽的扩展,这就为超材料吸波体宽频衰减吸收性能的发展提供了重要的研究方向。参考文献—viewLetters,1996,76(25):47584776.[4]PENDRYJB,HOLDENAJ,ROBBINSDJ.Lowfrequencyplasmonsinthin-wirestructures[J].JPhysCondensMatter,—1998,10(22):47854809.[5]BROWNJ.Artificialdielectrics[J].ProgressinDielectrics,—1960,2:195225.[6]KHANMF,MUGHALMJ.ModifiedsinglesidepairedS-ring—resonators[A].3rdInternationalCongressonAdvancedElectromagneticMaterialsinMicrowavesandOptics[C2.London:IEEE,—2009.522524.—[7]BAENAJD,MARQUESR,MEDINAF,eta1.Artificialmagneticmetamaterialdesignbyusingspiralresonators[J].PhysicalReviewB,2004,69(1):014402.[8]LIUR,jIC,MOCKJJ,eta1.Broadbandgroundplanecloak—[J].Science,2009,323(5912):366369.[9]刘凌云,胡长寿,郭彪.超材料吸波体吸波特性研究[J].材料导—报,2010,24(5):13.———LIULingyun,HUChangshou,GUOBiao.Researchonab—sorbingpropertiesofmetamaterialabsorberEJ].MaterialsRe—view,2010,24(5):13.—[1O]LANDYNI,SAJUYIGBES,MOCKJJ,eta1.Perfectmetamaterialabsorber[J].PhysicalReviewLetters,2008,100(20):96材料工程/2014年5期[¨][12][13][】4][15][16][i7][18][19][2O][21][22][23]2o7402.—WAKATSUCHIH,PAULJ,GREEDYS,eta1.Cutwiremetamaterialdesignbasedonsimplifiedequivalentcircuitmodels_J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,2012,60—(8):36703678.IIUXL,STARRT,STARRAF,eta1.Infraredspatialandfrequencyselectivemetamaterialwithnear-unityahsorbance[J].PhysicalReviewI,etters,2O10,104:207403.胡长寿,刘凌云,裴嘉政.对电磁波极化不敏感超材料吸波体的—研究[J].光学与光电技术,2O1O,8(4):8386.——HUChangshou,LIULingyun,PEIJiazheng.Studyonapolarizationinsensitivemetamaterialabsorber[J].Optics&Optoe—lectronicTechnology,2010,8(4):8386.CHENGY.YANGH。CHENGZ,eta1.Perfectmetamaterial—absorberbasedonasplitringcrossresonator[J].AppliedPhysicsA,2010,102(1):99103.—TAOH。BINGHAMCM,PILOND,eta1.Adualbandterahertzmetamaterialahsorber[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2010,43(22):225102.IIMH,YANGHI,H()UXW,eta1.Perfectmetamaterial—absorbwithdualbands[J].ProgressinElectromagneticsRe—search,2010,1O8:3749.—LU()H,WANGT,G0NGRZ,eta1.Extendingthebandwidthofelectricringresonatormetamaterialabsorber[J].ChinPhysLett,2011,28(3):034204.SUNJB,LIUIY,D0NGGY,eta1.Anextremelybroadbandmetamaterialabsorberbasedondestructiveinterference—[J].opticsExpress,2011,19(22):2115521162.顾超,屈绍波,裴志斌,等.基于磁谐振器加载的宽频带超材料吸—波体的设计lJ].物理学报,2011,60(8):662667.——GUChao,QUShaobo,PEIZhibin,eta1.Designofawidebandmetamaterialabsorberbasedonloaded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