具有旋转对称性的超材料结构，该结构与连续传输线相连，用于电磁波屏蔽应用

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Rotational symmetric metamaterial structure of emblemed number connected with continuous transmission line for EM wave shielding applications

电磁波屏蔽旋转对称元胞设计实现多频段高吸收效率，采用标志形状连续传输线谐振器结构，在C、X、Ku波段（5.834-15.62 GHz）分别达到96.77%-99.98%吸收率，78 dB屏蔽效能，极化角不变性达90°，元胞尺寸0.233λ×0.233λ，并通过ADS等效电路与CST仿真验证，实验测量与模拟一致。

　　在现代无线通信系统中，电磁波屏蔽面临着诸多关键挑战，例如对极化状态的不敏感性、宽带操作以及紧凑设计的需求。为了应对这些挑战，本文提出了一种具有旋转对称性的超材料吸收器设计，该吸收器采用象征性的连续传输线谐振器，专门优化以在C、X和Ku波段实现高效的电磁波吸收。这种设计在多个共振频率上表现出卓越的吸收性能，吸收率分别达到96.77%、99.68%、99.68%、99.70%、98.03%、99.68%和99.98%，对应共振频率分别为5.834 GHz、7.192 GHz、7.766 GHz、10.65 GHz、14.038 GHz、15.34 GHz和15.62 GHz。这种吸收器具备对共极化和交叉极化入射波的完全不敏感性，并且在高达90°的倾斜角度下保持稳定的性能。在目标频率下，最大屏蔽效果达到78 dB，确保了对电磁干扰的强保护能力。其紧凑的单元单元（0.233λ × 0.233λ）表现出接近零的介电常数、磁导率和折射率，同时具备单负特性，进一步支持其在最小空间内实现高效的吸收性能。

为了验证该吸收器的物理行为，使用ADS开发了等效的RLC电路模型，其与CST仿真结果表现出良好的一致性。通过制作原型并使用矢量网络分析仪（VNA）进行实验验证，确认了仿真结果与测量结果之间的强一致性。本文的创新点在于将象征性的谐振器与连续传输线结合在旋转对称的布局中，使得吸收器能够在多个频率范围内保持一致的性能，同时避免了结构复杂性问题。这种特性使其适用于Wi-Fi、5G、航空航天、防御雷达和隐身电磁屏蔽等多种应用。

电磁波屏蔽在现代无线通信技术中扮演着至关重要的角色，它不仅影响设备的性能，还与人类健康密切相关。传统的屏蔽材料通常依赖导电金属，这些材料主要通过反射电磁波来实现屏蔽效果，而反射会导致二次干扰。相比之下，超材料吸收器（MMAs）提供了一种更高效的替代方案，通过有效吸收入射波并减少反射和透射，实现了更佳的屏蔽效果。近年来，MMAs在C、X和Ku波段的潜力已被广泛验证，其应用涵盖雷达、卫星通信和5G网络等领域。然而，现有的设计往往面临极化不敏感性、角度依赖性和制造复杂性等问题。尽管已有研究探索了MMAs在这些波段的应用，但很少有设计能够同时实现高吸收效率、结构简单性和对极化和角度的不敏感性。本文提出的旋转对称象征性谐振器结构有效克服了这些局限，确保了在多个频率范围内的稳定性能，同时不会影响制造可行性。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种旋转对称的超材料吸收器，其谐振器结构设计为象征性的形状，优化用于Wi-Fi、5G和低于6 GHz频率范围的电磁波屏蔽应用。吸收器由三层构成：图案化的铜贴片、厚度为1.6 mm且介电常数为4.3的FR-4介质基板以及铜地平面。顶层谐振器通过将象征性形状分成四个部分，并以0°、90°、180°和270°的不同角度进行排列，实现了对表面电流路径的精确控制和共振行为的优化。这种旋转对称性有助于增强对入射角度和极化状态的不敏感性，同时通过优化结构确保了吸收效率的提升。铜地平面在特定条件下（如低于-10 dB）起到关键作用，有助于增强共振频率的效率并优化其在指定应用范围内的表现。有时，完整的地结构可以用于实现预期的性能。

该吸收器的设计通过多次迭代优化，逐步提升了其性能。在第一阶段设计中，吸收器采用类似数字“52”的几何形状，但未产生显著的共振。第二阶段通过调整谐振器的几何形状，延长了有效电流路径并增强了耦合，成功生成了一个单一的共振峰，但该频率位于X波段之外，不适合目标应用。第三阶段进一步优化结构，增加了谐振器的弯曲和延伸，以增强电感-电容（LC）效应，从而获得了五个共振频率：6.142 GHz、7.402 GHz、10.762 GHz、14.808 GHz和15.97 GHz，对应的吸收率分别为98.13%、99.53%、96%、95.55%和98%。虽然这些性能表现显著提升，但设计在较低的子6 GHz范围内的覆盖仍然不足，未能完全满足多频段操作需求。最终设计通过调整象征性部分的形状，以平衡电容间隙和导电路径，并优化整体几何结构，以形成多个明确的谐振环路，从而改善表面电流分布。这些改进使吸收器在7个共振频率下实现更高的吸收率，分别为5.834 GHz、7.192 GHz、7.766 GHz、10.65 GHz、14.038 GHz、15.34 GHz和15.62 GHz，对应的吸收率分别为96.77%、99.68%、99.70%、98.03%、99.69%、97.63%和99.98%。所有设计阶段的性能提升总结见表1。这种宽带和多谐振特性，结合对极化和角度的不敏感性，确认了吸收器在Wi-Fi、5G和低于6 GHz频率范围内的高效率电磁波屏蔽能力。

吸收器的仿真结果表明，其在C、X和Ku波段表现出宽带吸收特性，特别是在15.144 GHz至15.802 GHz范围内，显示出高效的能量耗散机制。值得注意的是，7.192 GHz和7.766 GHz处的共振频率以及15.34 GHz和15.62 GHz处的共振频率虽然相近，但由于频率差为574 MHz和280 MHz，这些频率无法合并为单一频率。如果强行合并，可能会导致不适用的共振频率，因为这种频率偏移不符合实际应用的需求。因此，设计采用七个独立的共振频率，每个频率都具有独特的吸收特性，从而确保了吸收器在广泛的应用场景中保持最佳性能。这种宽带吸收特性还伴随着宽角度不敏感性，即吸收器在广泛的入射角度范围内保持高吸收效率。此外，吸收器在不同极化状态的电磁波下表现出一致的性能，表明其对极化状态的不敏感性。尽管仿真覆盖了180°的方位角，但在实际部署中通常只考虑90°，因为更高的角度在现实场景中较为罕见。然而，吸收器在180°范围内的不敏感性进一步增强了其鲁棒性，尽管在实际应用中报告结果通常只需覆盖90°即可。

电磁波屏蔽的性能评估主要依赖于屏蔽效果（SE）这一指标，该指标结合了屏蔽效果的多个方面，包括透射、反射和多路径反射。如果SE值大于-10 dB，则可以忽略多路径反射的影响。SE值越高，意味着屏蔽效果越强，即电磁波的透射能量越少。本文提出的吸收器通过多种机制实现了高SE值，包括电阻性、介电性和磁性损耗。电阻性损耗来源于铜贴片和地平面的有限导电性，其中表面电流在谐振器中产生欧姆加热，从而耗散入射电磁波的能量。介电性损耗则发生在FR-4介质基板中，当电磁波在介质中交替变化时，会诱导极化和弛豫过程，将部分电磁能转化为热能。磁性损耗则来源于谐振器几何结构形成的磁感应回路，与入射波的磁场分量相互作用，产生磁偶极矩，能量通过磁滞和涡流效应在导电路径中耗散。这三种机制的共同作用使得吸收器不仅减少了反射，还最大化了内部能量耗散，从而在C、X和Ku波段实现了卓越的吸收和屏蔽性能。

为了验证吸收器的物理特性，本文采用ADS电路模拟器构建了一个等效的RLC电路模型。该模型能够清晰地展示吸收器在不同频率下的谐振行为，并且与CST仿真结果高度一致。在吸收器设计中，谐振器的几何结构和对称性使得其能够形成多个独立的RLC电路，每个电路对应一个共振频率。这种设计不仅能够精确控制谐振频率，还能够优化吸收效率。此外，通过分析表面电流分布和电容电感参数，可以进一步验证吸收器的等效电路模型。在该模型中，吸收器的吸收效率与反射系数和传输系数密切相关，确保了其在目标频率范围内的高性能表现。

实验验证方面，本文制作了一个12 mm × 12 mm的原型，使用FR-4介质基板进行测试。为了覆盖4 GHz至18 GHz的广泛频率范围，实验采用了多个波导端口，并将结果拼接起来进行分析。测量结果与仿真结果高度一致，进一步验证了吸收器的性能。吸收器在多个共振频率下表现出接近100%的吸收率，表明其在实际应用中具有极高的效率。此外，实验还展示了吸收器在不同极化状态下的性能，确认了其对交叉极化入射波的吸收能力。通过分析电场和磁场分布，以及表面电流的流动模式，进一步揭示了吸收器的物理机制。这些结果表明，吸收器能够有效捕获和耗散电磁波能量，从而实现高效的屏蔽效果。

本文提出的吸收器在性能上具有显著优势。其旋转对称的结构不仅确保了对共极化和交叉极化入射波的不敏感性，还增强了其在多个频率范围内的吸收能力。此外，其紧凑的单元单元设计使得吸收器在不增加体积的情况下实现了高效的屏蔽效果。与之前的研究相比，该吸收器在多个关键性能指标上表现出色，例如吸收效率、极化不敏感性、角度不敏感性和屏蔽效果。在对比表格中，该吸收器的性能优于许多现有的设计，特别是在极化不敏感性和屏蔽效果方面。这种设计为未来的电磁波屏蔽技术提供了新的思路，特别是在Wi-Fi、5G、航空航天、防御雷达和隐身系统等领域具有广阔的应用前景。

综上所述，本文提出了一种具有旋转对称结构的象征性谐振器超材料吸收器，其在C、X和Ku波段表现出优异的电磁波吸收和屏蔽性能。该吸收器的结构设计不仅考虑了电磁波的多频段覆盖，还通过优化表面电流路径和对称性，实现了对极化和角度的不敏感性。通过仿真和实验验证，本文确认了该吸收器的高效性能，其在多个共振频率下的吸收效率均达到99%以上，屏蔽效果高达78 dB。这些特性使其成为一种理想的电磁波屏蔽解决方案，适用于现代无线通信和电磁保护领域。未来的研究可以进一步探索该吸收器在更宽频率范围内的性能，以及其在实际应用中的长期稳定性和可扩展性。