适用于X至Ka波段应用的高效多频段超材料吸收器

《Kuwait Journal of Science》：High-efficiency multi-band metamaterial absorber for X to Ka band applications

提出一种基于Y形谐振器的多频段微波完美吸收器（PMAMB），适用于X、Ku、K和Ka波段，采用FR4基板实现高吸收率（95.7%-99.8%），兼具极化稳定性和角度稳定性，结构优化后优于现有设计，适用于电磁屏蔽、雷达和无线通信系统。

　　这项研究提出了一种创新的完美超材料吸收器（Perfect Metamaterial Absorber, PMAMB），其设计特别适用于微波频段的多频吸收需求。该吸收器基于独特的Y形谐振器结构，能够在X、Ku、K和Ka等多个微波频段中实现高效的电磁波吸收。其核心目标是构建一个既具备多频吸收能力，又在极化角度和入射角度变化下保持稳定吸收性能的结构，以满足更广泛的实际应用需求。

在传统的微波吸收材料中，吸收性能往往受到多种因素的限制，例如对特定频率的适应性不足、极化依赖性较强以及在不同角度下的吸收效率下降等。而随着超材料技术的发展，研究人员逐渐意识到通过结构设计可以有效克服这些限制。超材料吸收器通过精心设计的谐振结构，能够实现对电磁波的高效吸收，同时在更小的体积内完成这一功能。这种技术的突破为多种应用提供了新的可能性，包括电磁干扰（EMI）屏蔽、雷达系统和无线通信技术等。

本研究提出的Y形谐振器结构，相较于以往的复杂设计，展现出显著的简化优势。Y形结构由多个相互连接的直条和半圆形部分组成，这种几何形状不仅有助于实现多频吸收，还通过谐振器之间的耦合效应增强了整体的吸收性能。通过模拟分析，研究人员验证了该结构在多个频段内能够实现接近100%的吸收率。例如，在10.28 GHz、16.56 GHz、22.74 GHz和25.96 GHz四个频率点上，吸收率分别达到了95.7%、97.3%、99.8%和97.1%。这一性能表现不仅优于现有的一些吸收器设计，还表明该结构在多频段吸收方面具有更高的效率和适应性。

为了进一步优化吸收性能，研究团队设计了三种不同形态的谐振器结构，逐步演进至最终的Y形结构。在第一种设计中，单个Y形谐振器能够实现四频吸收，但在实际应用中表现不够理想。通过增加谐振器数量并调整其布局，第二种设计在某些频段上提升了吸收效率，但仍然无法达到理想的多频段吸收效果。最终，第三种设计通过合理的几何参数调整，实现了四个清晰且稳定的吸收峰，覆盖了X、Ku、K和Ka四个频段，显示出优异的多频段吸收能力。

该吸收器的结构基于FR4基板，这是一种常见的电子材料，具有较高的介电常数（εr = 4.3）和较低的介质损耗角正切（tanδ = 0.025）。尽管FR4在高频段的吸收性能受到一定限制，但研究团队通过优化设计参数和结构布局，成功克服了这一挑战。例如，通过调整基板厚度、谐振器宽度和周期性结构的尺寸，使得吸收器在特定频段内实现了接近理想的吸收效果。基板厚度为0.8 mm时，吸收器能够实现四个频率点的高效吸收，而当厚度增加或减少时，吸收性能则有所下降，说明这一参数对于吸收效率具有关键影响。

在吸收机制方面，Y形谐振器的设计通过多个谐振结构的耦合，使得电磁波在吸收器内部经历多次反射和传输，从而实现能量的有效耗散。这种多路径吸收机制不仅提高了吸收效率，还增强了结构在不同入射角度和极化方向下的稳定性。研究团队通过有限元方法（FEM）在CST Microwave Studio 2020中进行了全波仿真，验证了该结构在8至28 GHz频段内的吸收性能。仿真结果显示，该吸收器在多个频率点上均表现出接近理想的吸收特性，且在不同极化条件下保持较高的吸收效率。

此外，研究还探讨了结构参数对吸收性能的影响。例如，基板厚度的增加会扩展吸收频段的数量，但同时也会导致吸收效率的下降。因此，选择合适的基板厚度是实现多频段吸收的关键因素之一。同样，谐振器的宽度和周期性结构的尺寸也对吸收峰的位置和强度产生重要影响。当谐振器宽度增加至0.5 mm时，吸收效率达到最佳状态，而过宽或过窄都会影响吸收性能。周期性结构的尺寸则决定了吸收器在不同频段的覆盖范围，研究发现当周期性结构尺寸为12 mm时，吸收器能够实现最全面的多频段吸收。

在极化角度和入射角度对吸收性能的影响方面，研究团队通过仿真分析发现，该吸收器在不同极化模式下均表现出良好的吸收性能。在横电（TE）模式下，吸收器对极化角度变化具有较强的鲁棒性，即使在不同的角度设置下，吸收率仍保持在较高水平。而在横磁（TM）模式下，尽管入射角度的变化对吸收峰位置产生一定影响，但吸收效率并未显著下降，这表明该吸收器在实际应用中具备较高的灵活性和适应性。

为了进一步验证吸收器的性能，研究团队还进行了阻抗匹配分析。吸收器的阻抗与自由空间的阻抗（377Ω）越接近，其反射率越低，吸收效率越高。通过调整谐振器的几何参数，研究团队确保了在四个主要吸收频率点上，吸收器的阻抗与自由空间阻抗相匹配，从而实现了高效的能量吸收。这种阻抗匹配机制是吸收器在特定频率下实现完美吸收的关键因素之一。

在与其他研究的对比中，本研究提出的Y形结构吸收器展现出明显的优势。与一些使用复杂结构的吸收器相比，该设计不仅简化了制造过程，还提高了吸收效率和多频段覆盖能力。例如，某些早期的吸收器设计虽然在特定频段上实现了接近100%的吸收率，但其结构复杂，制造成本较高，且难以在不同频段间实现稳定的吸收效果。而本研究的Y形结构吸收器在保证高效吸收的同时，还具备较小的单元尺寸和更薄的结构，这使得其在实际应用中更具优势。

值得注意的是，尽管该吸收器在模拟中表现出色，但其实际应用仍需进一步的实验验证。研究团队指出，未来的实验工作将致力于验证仿真结果，并探索可能的改进方向，例如在更宽的频率范围内实现吸收性能的提升，以满足更复杂的应用需求。此外，研究还强调了该吸收器在电磁干扰（EMI）屏蔽和多频段传感等领域的潜在应用价值，特别是在需要同时处理多个频段信号的设备中，如卫星通信系统、雷达和无线传感网络。

总的来说，这项研究提出了一种基于Y形谐振器结构的多频段微波吸收器，其设计在结构简化、吸收效率和多频段覆盖方面均表现出显著优势。通过详细的仿真分析和参数优化，研究人员成功实现了四个频率点的高效吸收，并验证了该结构在不同极化和入射角度下的稳定性。该吸收器的性能不仅优于许多现有的多频段吸收器设计，还为未来在电磁干扰屏蔽、雷达系统和无线通信技术等领域的应用提供了新的思路和解决方案。