变容二极管串联制备宽带可调谐磁性吸波超材料

姚骏驰, 李 维

(武汉理工大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430070)

作为21世纪最重要的科技成果之一,超材料概念的提出对物理、材料、光学、声学等各领域都产生了巨大的影响[1-3]。超材料吸波器(metamaterial absorber,MMA)优越的吸波性能在隐身、无线通信和电磁兼容等方面具有重要的应用,引起了学者们广泛的关注[4-6];但由于MMA固有的共振吸收机制,吸收带宽通常较窄,因此极大地限制了它的应用范围。为了拓宽MMA的吸收带宽,研究者们提出了多种方法,例如,采用纵向多层叠加[7-9]或面内单元集成[10-12],通过拼接不同谐振单元产生的共振吸收峰,能够拓宽MMA的吸收带宽。此外,将MMA与磁性吸波材料结合形成的复合超材料吸波器 (composite metamaterial absorber,CMMA)[13-15],能够同时具备MMA和磁性吸波材料的双重吸波性能,也是拓宽MMA吸波带宽的一种有效方法;但是,由于被动式吸波材料不能违反材料参数色散规律,如Kramers-Kronig关系[16],因此对被动式吸波材料的固有带宽存在限制。

近年来,主动式超材料在受到外界刺激时电磁参数可调,理论上能够突破被动式吸波材料的带宽限制[17-18],因而吸引了越来越多研究者们的兴趣。为了实现MMA的可调谐性能,研究者们提出了不同的方法,例如通过外加应力的作用改变单元结构的机械可调型超材料[19-20],以及通过外加磁场或者温度场作用改变材料电磁参数的磁可调型和热可调型超材料[21-24]。除了以上调谐策略外,将变容二极管、电阻或电感等电子元件嵌入到超材料结构中的电可调型超材料因具有设计灵活、频率适应性好、调谐速度快等优点而被广泛研究[25-29],但是集总元件的参数变化范围有限,使得基于电路的MMA的调谐带宽受到很大的限制。为了拓展电可调型MMA的调谐带宽,Wu等[30]制备了一种复杂的基于电路的MMA,使用变容二极管实现了多个可调谐吸收波段,并使用PIN(空穴型半导体-本征半导体-电子型半导体结构)二极管将这些波段进行拼接,实现了连续宽频可调,吸收频率为2.80～4.95 GHz。Yang等[31]通过在相邻单元间插入集总元件,并在各自频率范围内调节共振吸收峰,扩展了调谐带宽,吸收频率为1.86～3.31 GHz。虽然可调MMA具有广阔的发展前景,但目前所获得的可调带宽仍然有限。

本文中将磁性吸波材料与可调谐MMA集成, 利用串联变容二极管策略扩展MMA的调谐带宽, 制备了宽带可调谐CMMA。 设计方法基于CMMA的概念和物理学的等效电路, 将集总元件的物理参数和金属单元的几何尺寸与MMA的性能联系起来。 由等效电路的推导可知, 变容二极管串联可以扩展单个变容二极管的参数, 从而拓展MMA的调谐能力, 使CMMA在低频段具有更大的可调谐带宽。

1 设计与分析

1.1 CMMA的设计及等效电路模型

从电路的角度来看, 通常由金属导线构成的吸波超材料单元类似于电阻(R)、 电感(L)、 电容(C)组成RLC谐振电路, 这些金属导线即为电路中的电感、 电容和电阻, 因此, 与RLC谐振频率相对应的MMA的吸收峰频率取决于MMA金属部分的几何特征。 MMA中的金属导线结构具有特定的阻抗, 能够传输电流和微波, 从而限制其周围的电磁场, 所以由金属导线单元组成的MMA可以与传统磁性吸波材料结合, 形成兼具2种组分吸波频段的CMMA, 导线状吸波超材料的场约束保证了RLC谐振不会对周围介质产生干扰。 基于这一思想, 本文中设计了如图1(a)所示的CMMA, 其结构由3层磁性吸波材料和带有H型单元的吸波超材料组成, MMA单元位于厚度为2 mm的玻璃纤维环氧树脂覆铜板(FR-4)介质上。通过遗传算法[32]计算得到3层磁性吸波材料的厚度分别为1.7、 1.7、 3.6 mm。由于金属导线结构与入射电磁波相互作用产生了强烈的电共振,电场集中在金属细线结构周围,因此保证了MMA部分的强吸收。使用电磁仿真软件CST Microwave Studio TM对CMMA结构单元进行建模仿真,在仿真单元的两侧应用端口边界条件,沿z轴方向激发电场矢量垂直于传播方向(TE)电磁波,模拟结果如图1(b)所示。CMMA在频率0.56 GHz处有一个强吸收峰,同时在频率2～18 GHz内具有宽带吸收,因此,所设计的CMMA具有磁性吸波材料和MMA的双重吸波性能。

H、 E、 k—入射电射波的磁场分量、 电场分量、 入射方向;p—超材料单元周期; h—超材料单元高度;t—介质高度;w1、 w2、 w3—H型单元的几何参数。(a)复合超材料的结构

(b)模拟复合超材料的吸收曲线图1 复合超材料的设计结构及模拟吸波性能

为了将变容二极管引入CMMA结构中使其可调,首先分析CMMA的等效电路。根据图2(a)所示的表面电流分布可以推断,由于中间金属导线与入射微波的电场平行,电流是直接感应到中间金属导线上的,因此可以将其当作电感器。同时,电流自上往下流动,形成左、右2条闭合回路,电荷在上、下横向金属导线上积聚,形成了沿-z和+z方向上相反相位的电场,表明了上、下横向金属导线与金属背板之间形成了串联的2个电容器。根据以上分析,推导出等效电路如图2(b)所示,其中R1和R2分别是电容器和电感器的电阻。利用CMMA的几何参数, 计算出等效电路中结构电容C=4.35 pF,电感L=19.7 nH。LC谐振频率fr的定义为

(1)

E、 H—入射电磁波的电场分量、 磁场分量。(a)表面电流分布

C、 L—等效电容和电感; R1、 R2—等效电阻。(b)等效电路图2 表面电流分布及等效电路的建立

将L和C代入式(1),计算出谐振频率fr=0.54 GHz, 与数值模拟的值吻合较好。从计算过程来看,fr主要由CMMA的几何参数决定,而这些参数不能实时调节,因此,在引入集总元件(如变容二极管)之前,CMMA的性能是不可调的,需要根据电路模型引入集总元件来设计可调谐CMMA。

1.2 变容二极管串联设计

由于MMA与电子电路具有相似性,因此电子元件被广泛地应用到MMA的设计中以拓展吸波性能,并赋予MMA主动可调的特性。变容二极管具有电容值可调并且体积小的特点,因此成为嵌入MMA单元的理想电子元件。本文中设计的等效电路是由CMMA的几何结构与入射波之间的相互作用推导出的,由此推断,可以相应地将变容二级管插入电路中,并通过改变变容二极管的电容Cv来实现CMMA的带宽调谐。根据该思想绘制出相应的等效电路图,如图3(a)所示,由此计算出该电路的谐振频率为

(2)

C、 L—等效电容、 电感; R1、 R2—等效电阻;Cv—变容二极管的电容。(a)等效电路

k—电磁波的入射方向; E、H—入射电磁波的电场分量、 磁场分量。(b)可调复合超材料结构图3 单个变容二极管的超材料等效电路模型及结构

图3(b)为嵌入变容二级管的可调谐CMMA的结构示意图,图中黑色立方体代表变容二极管。

根据式(2)计算fr随Cv的变化,结果如图4(a)中的红线所示。从图中可以看到,当Cv较小时,fr变化较快,而当Cv接近结构电容C时,fr变化缓慢。本文中使用的变容二极管型号为SMV2020-079LF,其调节范围为0.35～3.2 pF。本文中模拟了fr随Cv的变化曲线,并与计算结果进行对比,如图4(a)所示。由图可以看出,计算值与数值模拟值的变化趋势相同,两者的差异随着Cv的增大而逐渐减小。在RLC电路模型中忽略了变容二级管的寄生电感和电阻,同时变容二级管嵌入到MMA中会对其结构电感L产生一定的影响。如果将所有的影响因素都考虑在内,电路模型将会变得很复杂,因此,本文中设计的等效电路模型进行了简化,导致计算结果与仿真结果之间存在一定的差异。图4(b)模拟了CMMA在Cv最大值和最小值处的吸收性能,实际上吸收峰在两者之间是连续调谐的。随着Cv的增大,CMMA的谐振频率fr向低频移动,而高频吸收特性几乎不受影响。

(a)fr与Cv的关系

(b)模拟复合超材料的吸波性能图4 变容二极管电容值Cv对谐振频率fr的影响及模拟复合超材料的吸波性能

由以上结果可知,引入的变容二级管使CMMA的吸收峰在频率0.7～1.5 GHz内连续变化。由图4(a)可知,fr随Cv呈非线性变化,其中红色箭头表示变容二级管的实际调节范围。当Cv在0.35～3.20 pF内变化时, CMMA的频率由1.17 GHz减小到0.7 GHz,调谐带宽为0.47 GHz。为了达到宽频带的调谐范围,所选择的变容二极管应具有较小的电容,但是现有的商用变容二极管的电容通常较大,变化范围窄,极大地限制了基于变容二极管的MMA的可调谐性。根据相关电路理论,将2个相同的变容二级管串联起来可以显著减小电容,此时的等效电路如图5(a)所示,该等效电路的谐振频率计算公式变为

(3)

图5(b)为嵌入2个变容二级管的可调谐CMMA结构示意图,图中2个黑色立方体表示2个相同的变容二级管。嵌入2个变容二极管的CMMA在不同Cv时的吸收性能模拟结果如图5(c)中的虚线所示,并与嵌入单个变容二级管的CMMA的性能进行比较。从图中可以看到,变容二极管串联之后,CMMA的吸收峰频率在0.8～1.5 GHz范围内移动,调谐带宽为0.7 GHz,而嵌入单个变容二级管的CMMA的调谐带宽为0.47 GHz,证明了通过变容二级管的串联设计可以扩大CMMA调谐范围。此外,图4(b)模拟了变容二极管串联的CMMA在频率0～18 GHz时的吸收光谱, 可以看到,CMMA的高频吸收性能几乎不受影响。

C、 L—等效电容和电感;R1、 R2—等效电阻; Cv—变容二极管的电容。(a)等效电路

k—电磁波的入射方向;E、 H—入射电磁波的电场分量和磁场分量; g1、 g2—金属缝隙宽度、 2个电容器之间的距离。(b)双变容二极管复合超材料结构

(c)低频吸波性能图5 双变容二极管复合超材料的等效电路、 结构及低频吸波性能

2 制备与测试

为了验证串联变容二级管的可调谐CMMA的吸收性能,制作了边长为600 mm的正方形原型样品,如图6(a)所示。磁性吸波材料是由吸收剂和丁腈橡胶制备而成。底层吸收剂使用牌号为YW2的羰基铁粉2 kg,加入搅拌磨的磨筒中,物料与磨球的质量比(料球比)为2∶27,同时加入3 L无水乙醇,搅拌磨转速为280 r/min,研磨9 h,然后出料、抽滤、烘干。中间层和面层的吸收剂使用相同牌号的羰基铁粉400 g,加入球磨罐中,料球比为1∶10,干磨1 h,然后筛分。3层磁性吸波材料分别按一定的吸收剂与丁腈橡胶的质量比进行混合, 分别在炼塑机中反复混炼,然后将混合料通过辊轮展平得到磁性贴片材料,最后将磁性贴片材料用硫化机在140 ℃下硫化8 min成型。用DCD3800型雕刻机在面层磁性吸波材料上雕刻出深度为2 mm的工字型沟槽。 采用印刷电路板(PCB)工艺获得所设计的金属图案,并将变容二极管焊接到MMA结构中,使用雕刻机制备出镂空结构,然后将MMA嵌入到之前制备的磁性吸波贴片中即可获得可调谐CMMA。

(a)可调复合超材料实物

(b)低频吸波性能

(c)高频吸波性能图6 可调复合超材料的实物与电磁波吸收性能

在微波暗室中使用矢量网络分析仪(Agilent N5230A型,美国安捷伦公司)测试样品的电磁波吸收性能。将反向偏置电压从0 V调整到40 V,CMMA的吸收峰频率从0.8 GHz逐渐移动到1.5 GHz, 如图6(b)所示。图6(c)所示为CMMA在频率2～18 GHz内的电磁波吸收性能。 测试结果表明, CMMA的吸收峰在频率0.8～1.5 GHz范围内连续可调, 同时在2～18 GHz频段内吸收率超过80%, 验证了所设计的CMMA具有宽带可调的吸收性能, 说明基于等效电路的可调谐MMA和磁性吸波材料相结合的策略在扩展带宽方面是成功的, 吸波带宽覆盖了0.8～18 GHz的大部分频段。

3 结论

本文中设计、制备了吸收频率覆盖0.8～18 GHz的超宽带CMMA。根据入射波与MMA单元的相互作用建立了相应的等效电路模型,用于指导可调谐MMA的设计。在MMA结构中,根据等效电路模型加载变容二极管,使吸收峰在频率0.7～1.17 GHz内连续变化,之后通过将变容二极管串联,使得频率调谐频率扩大到0.8～1.5 GHz,并利用磁性吸波材料实现了带宽为2～18 GHz的宽频吸波性能,为设计、制备宽带可调谐超材料提供了一种通用的方法,在电磁波吸收材料和智能材料等领域具有重要的应用价值。