一种单层宽频吸波超材料设计及其性能分析

术山西省重点实验室

赵 张亚泽娟奎 李 张宝毅 晗

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本文设计、分析并加工测试了一种新型的单层吸波超材料结构，其表层为双C型金属结构组成的超材料结构层，中间层为FR-4介质基板，底层为金属反射板。通过仿真优化，总厚度仅为0.12λ。仿真测试结果表明，本文设计的单层宽频超材料吸波体在7.87GHz-15.50GHz的频段内反射系数小于-10dB，实测数据显示在8.17GHz-14.83GHz的频段内反射系数小于-10dB，实现了电磁波的宽频强吸收。通过分析发现，该双C型吸波超材料结构单元的排布方式对吸波效果的影响较大，并可以通过调节结构尺寸改变吸收频段。本文设计的单层宽频吸波超材料结构简单，吸收频带宽，具有重要的实际应用价值和应用前景。

引言：超材料（Metamaterial）首次由Landy（Landy N L，Sajuyigbe S，Mock J J，et al.Perfect metamaterial absorber：Physical Ｒeview Letters，2008）在2008年提出，超材料通过人工设计结构形式控制其行为，具有传统材料没有的超常物理性质。随着电子技术的发展，尤其是无线通信技术和雷达技术的不断发展，电磁辐射及危害成为人们日益关注的问题，电磁环境的恶化对电子设备、计算机、人身健康等造成不可忽视的危害，电磁防护材料的需求日益迫切。此外，航天、军事等（ZHAO Xiacdiang，CAO Yan gui，ZHA0 Ran，et a1.The optimization design of electromagnetic parameters of highperformance dielectric type absorption in S band：Development and Application of Materials，2010）领域的更新换代和新技术的不断应用，也使得装备对电磁防护材料提出了更高的要求。吸波超材料作为一种新型的电磁防护技术手段，天生具有设计灵活的特点，可以通过不同结构的设计、多层设计或者组合设计实现不同的性能（Hu C，Li X，Feng Q，et al.Investigation on the role of the dielectric loss in metamaterial absorber：Optics Express，2010；Wu D，Li R，Liu Y，et al.Ultra-narrow Band Perfect Absorber and Its Application as Plasmonic Sensor in the Visible Region：Nanoscale Research Letters，2017），也可以通过不同的成型方式实现不同场景的应用（Borah D，Bhattacharyya N S.Design and Development of Expanded Graphite-Based Non-metallic and Flexible Metama-terial Absorber for X-band Applications：

Journal of Electronic Materials，2017；Zhang Y，Duan J，Zhang B，et al.A flexible metamaterial absorber with four bands and two resonators：Journal of Alloys & Compounds，2017；Ling X，Xiao Z，Zheng X.A Three-Dimensional Broadband Infrared Metamaterial Absorber Based on the Plasmonic and Dipole Resonance Responses：Plasmonics，2018）。超材料的特性决定其在电磁吸波领域具有广阔的应用前景。

近年来，学者们主要在窄带强吸收（Yoo M，Kim H K，Lim S.Angular-and Polarization-Insensitive Metamaterial Absorber Using Subwavelength Unit Cell in Multilayer Technology：IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters，2016；Yi F，Tan X，Yang A，et al.Narrowband plasmonic metamaterial absorber integrated pyroelectric detectors towards infrared gas sensing：//Smart Photonic and Opto-electronic Integrated Circuits XX.2018）、多频强吸收（Sood D，Tripathi C C.A polarization insensitive ultrathin compact triple band metamaterial absorber：Indian Journal of Pure & Applied Physics，2018；Tran M C，Nguyen T T，Ho T H，et al.Creating a Multiband Perfect Metamaterial Absorber at K Frequency Band Using Defects in the Structure：Journal of Electronic Materials，2017）、宽频强吸收（Wang B Y，Liu S B，Bian B R，et al.A novel ultrathin and broad-band microwave metamaterial absorber：Journal of Applied Physics，2014；Li W，Wu T，Wang W，et al.Integrating non-planar meta-materials with magnetic absorbing materials to yield ultra-broadband microwave hybrid absorbers：Applied Physics Letters，2014）等方向设计研究了各种形式的超材料吸波体。其中，宽频强吸收以其优越的实用价值受到了人们越来越多的关注。在实现超材料宽频吸波的设计中，学者们主要采用多层结构（Xiong H，Hong J S，Luo C M，et al.An ultrathin and broadband metamaterial absorber us-ing multi-layer structures：Journal of Applied Physics，2013；Wen D，Yang H，Ye Q，et al.Broadband metamaterial absorber based on a multi-layer structure：Physica Scripta，2013）、加载电阻膜（Ling X，Xiao Z，Zheng X，et al.Ultra-broadband metamaterial absorber based on the structure of resistive films：Journal of Electromagnetic Waves & Applications，2016；Kim Y J，Yoo Y J，Hwang J S，et al.Ultra-broadband microwave metamaterial absorber based on resistive sheets：Journal of Optics，2017）、多种结构排列（Ni B，Chen X S，Huang L J，et al.A dual-band polarization insensitive metamaterial absorber with split ring resonator：Optical & Quantum Electronics，2013；Ma W，Wen Y，Yu X.Broadband metamaterial absorber at mid-infrared using multiplexed cross resonators：Optics Express，2013）等方式做了各种尝试和研究，有效的展宽了超材料吸波体的吸收带宽，并将其应用到了更高的频段，如THz频段（Ma Y，Chen Q，Grant J，et al.A terahertz polarization insensitive dual band metamaterial absorber：Optics Letters，2011；Zhong M，Han G M，Liu S J，et al.Absorption enhancement of a dual-band metamaterial absorber：Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures，2017）。

本文基于FR-4材料设计了一种单层宽频超材料吸波体，采用双C型结构单元作为谐振单元，吸收率大于90%的频率范围基板覆盖了X波段。该单层超材料吸波体分别在8.46GHz、12.3GHz和14.35GHz产生了较强的谐振。相对于中心频率，该超材料吸波体的整体厚度仅有0.12λ。通过对超材料结构单元的合理设计，可以有效的提高其吸波带宽的吸收强度。本文第二部分主要研究了该结构的设计过程及测试结果对比；第三部分分析了该超材料吸波体的电

ELECTRONICS WORLD・探索与观察场分布和结构中一些重要参数对其吸波性能的影响；第四部分对全文做了一个简单的总结，该超材料吸波体在雷达隐身等领域具有一定的应用价值。

1 结构设计

超材料吸波体对电磁波的吸收率计算方法如公式（1）所示：A(ω) = 1- R(ω) - T(ω) （1）

其中，R(ω)和T(ω)分别代表电磁能量的反射系数和传输系数，由于超材料吸波体的背板为金属结构，传输系数为0，所以超材料吸波体吸收率计算变为公式（2）：

A(ω) = 1- R(ω) （2）

因此，为了实现超材料吸波体对电磁能量的吸收最大化，需要尽可能的减小电磁能量的反射，即超材料吸波体的等效阻抗与空气阻抗匹配，使得电磁能量进入超材料吸波体内并被吸收，转化成其他形式的能量。

本文设计的超材料吸波体单元结构如图1所示，采用厚度为3.2mm的FR-4作为介质基板，双C型金属环作为谐振单元，两个C型金属环呈对称分布，C型金属环和单元边缘具有一定夹角。通过仿真优化，确定各部分参数的大小如表1所示，双C型金属环和接地板的厚度均为0.035mm，与边缘的夹角α=45°。

（a）俯视图

（b）侧视图

图1 单层宽频超材料吸波体单元结构示意图

表1 各部分参数

参数尺寸（mm）

p10L16L21.8s2.4w0.3H10.035H2

3.2

图2给出了该单层宽频超材料吸波体的加工实物图，加工实物的尺寸为180mm×180mm，采用弓形法对其进行了测试，仿真和测试结果如图3所示。仿真和测试结果比较吻合，反射系数在8.17GHz-14.83GHz的频段内小于-10dB，符合设计的要求，实现了宽频吸波。存在的误差主要是由于加工误差和测试环境引起。

图2 单层宽频超材料吸波体加工实物图

图3 仿真与实测反射系数对比图

图4 谐振点处的表面电流分布

（下转第38页）

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ELECTRONICS WORLD・探索与观察通路在高阻态具有较大的随机性而得到不可预测的输出，同时还能扩大了激励响应对的空间；这种响应方式不需要给RRAM存储器增加额外的硬件单元，在实现存储的同时也实现了PUF的功能，使得加密方式变得极为隐秘。最后，在1kb的RRAM阵列中对其进行了评估，其输出的密钥都具有理想的唯一性（Inter-HD接近50%）和均匀性。

作者简介：

张晓波（1971—），男，硕士，讲师，主要研究方向：集成电路设计。

易盛禹（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向：

图6 密钥的均匀性

基于阻变存储器的物理不可克隆函数。

戴澜（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向：高速高精度模数转换器设计与精度提高技术研究。

本文通过将1kbit的RRAM阵列不断的擦写来测试PUF输出密钥的特性。将得到的阻值数据通过Matlab仿真转换为0/1的输出，然后随机选取了100组128bit的密钥进行Inter-HD和1比列的计算，得到如图5和图6所示的分布图，其中，Inter-HD的均值非常的接近理想值50%，并且离散程度很低（标准差只有0.0450），表明密钥之间具有较好的唯一性，并且1的比列都在0.45到0.55以内，表现出良好的均匀性。

4.结论

本文主要介绍基于RRAM擦写PUF的实现方式，利用RRAM的导电

（上接第35页）

足在宽频带内与自由空间的良好匹配，实现宽频吸波。

接下来分析夹角α对其吸波性能的影响，结果如图5所示。图5表明夹角α对该超材料吸波体的阻抗匹配有重要的影响，当夹角从40°增加到50°时，反射系数先减小后增大，当夹角为45°时反射系数最小，此时该超材料吸波体与自由空间实现了良好的匹配，吸波性能最好。

3 结论

本文设计了一种单层的宽频吸波超材料，厚度仅为中心频率波长的0.12倍，仿真和测试结果表明，该超材料吸波体在8.17GHz-14.83GHz的频段内反射系数小于-10dB，即吸收率大于90%，完全覆盖了X波段，实现了宽频吸收。该超材料吸波体在8.46GHz、12.3GHz和14.35GHz处产生了较强的谐振，对入射电磁波基本实现了完美吸收。参数分析结果表明双C行金属环与单元边缘的夹角对其吸波性能的好坏影响很大。本文设计的单层宽频吸波超材料结构简单，厚度较小，吸波频带宽，在电磁污染防治，军事等领域具有一定的应用价值。

作者简介：

张泽奎（1989—），男，硕士，助理工程师，主要研究方向：电磁防护技术。

张晗（1989—），女，硕士，助理工程师，主要研究方向：电磁防护技术。

赵亚娟（1989—），女，硕士，工程师，主要研究方向：电磁防护技术。

图5 夹角α对吸波性能的影响

2 性能分析

本文提出的超材料吸波体采用CST Microwave Studio 2015进行设计，并分析了其性能。为了进一步分析该超材料吸波体的吸波机理，本文研究了8.46GHz、12.3GHz和14.35GHz三个谐振点处表面电流的分布，结果如图4所示。可以发现，双C型金属环上产生了很强的感应电流，感应电流的分布与入射电场的分布有关，决定该超材料吸波体的等效介电常数。金属地上的感应电流较弱，且电流的分布与C型金属环上电流的分布并不一致，也就是说金属地上主要产生感应磁场，决定该超材料吸波体的等效磁导率。因此，通过合理的设计，可以有效的控制该超材料吸波体的等效介电常数和等效磁导率，从而满

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