CN112615165B

CN112615165B - 基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法

Info

Publication number: CN112615165B
Application number: CN202011420124.7A
Authority: CN
Inventors: 许河秀; 王彦朝; 王朝辉; 逄智超; 徐健; 徐硕
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2020-12-06
Filing date: 2020-12-06
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2040-12-06
Also published as: CN112615165A

Abstract

本发明属于超材料吸波技术领域，具体为一种基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法。本发明超材料吸波体是由吸波体单元沿x和y方向周期性延拓形成的阵列，周期大小为p；吸波体单元由底部金属地板和三层吸波层‑介质板堆叠构成；吸波层为印制在PET薄膜上的ITO电阻膜；吸波体单元的顶层为环形蜿蜒线ITO结构，中层为方形贴片结构，底层为对称四梯形组合型贴片结构；相邻两层PET薄膜间由介质板隔开；单元底部为金属地板；单元结构呈中心对称；本发明通过优化设计确定吸波体单元结构参数，使超材料吸波体在TE和TM极化波激发下均表现出优越的宽频吸波性能，而在TM极化下具有角度不敏感特性；厚度较小、结构简单、加工方便。

Description

基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法

技术领域

本发明属于超材料吸波技术领域，具体设计基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体及其设计方法。

背景技术

现代战争环境变得越来越错综复杂，战场上对武器装备隐身性能和电磁兼容要求也日益提高，传统雷达吸波材料已经难以满足“薄、轻、宽、强”的要求。随着科技发展，在万物互联的应用场景下，多天线干扰、电磁辐射和污染等问题也愈加严重。超材料吸波技术不仅可以为隐身技术、电磁兼容提供解决方案，还能抑制电磁辐射污染，此外在能量收集、传感和探测、通信等诸多领域也有广阔的应用前景，因而在军用和民用领域都受到广泛关注，其研究在国内外都有着重要的战略意义。

起初超材料吸波体采用金属谐振工作机制，虽然能够实现“完美吸波”，但由于工作频带窄不易于推广应用。尽管有大量研究尝试通过多单元组合或者利用多层金属谐振结构叠加的方式来拓展频宽，但金属谐振带宽有限，不能达到预期的效果，且单元的尺寸或厚度往往较大，不易于加工。而氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)电阻膜兼具电阻特性和厚度薄的优势，其在微波频段频散特性弱，可以有效实现宽频吸波。目前超材料吸波主要有以下方法可以拓展带宽，包括平面多尺寸单元排布、垂直空间多层单元堆叠、加载集总元件(例如电阻，电容和二极管)，加载电阻膜和基于人工表面等离激元等。在多层超材料吸波体的设计中，吸波带宽，吸收率和总厚度是三个关键指标。迄今为止，在获得宽频带的同时还能在高吸收率下保持较薄厚度仍然是一个挑战。本发明采用了多层结构和加载电阻膜吸波相结合的思路，使吸波特性互补的多个模式级联，从而在较薄厚度下实现宽频吸收的效果。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于多模电阻的多层宽频吸波体及其设计方法，以解决多层结构实现宽频吸波体时厚度太厚的问题。

本发明提出的基于多模电阻的多层宽频吸波体，是由吸波体单元沿x和y方向均周期性延拓形成的阵列，周期大小为p；所述吸波体单元由底部金属地板和三对吸波层-介质板堆叠构成，其结构参见图1所示；所述吸波层为印制在连续PET薄膜上的具有一定结构的氧化铟锡(ITO) 电阻膜；所述单元的三层ITO结构由上而下分别为：顶层为环形蜿蜒线ITO结构(1)，中层为方形贴片结构(2)，底层为对称四梯形组合贴片结构(3)；相邻两层PET薄膜(4)间用介质板(5)隔开；单元底部为金属地板(6)；所述单元结构呈中心对称。

本发明中，顶层的环形蜿蜒线，具体形状如下：外形整体围成大正方形状，大正方形状的四角均围成为一小正方形体，大正方形状的每边均有2个向内的方形凸起，中间形成一个向外的方形凸起；记w为环形蜿蜒线宽度，c₁为大正方形体的长度，c₂为四角的小正方形体外侧长度，c₃为环线中各个向内方形凸起的高度，c₄为环线中各个向内方形凸起的宽度，环形蜿蜒线总长度为L＝4(c₁+4c₃)，方阻值记为R₁；参见图2所示。

本发明中，中间层的方形贴片位于中心部位，记b为其一边长度，方阻值记为R₂；参见图3所示。

本发明中，底层的对称四梯形组合贴片，具体形状为由四个同样形状和大小的底角为45 度等腰梯形围成的正方形体(即具有四重旋转对称性)，想邻两等腰梯形之间有缝隙；记a₁为等腰梯形的上底长度，a₂为等腰梯形的下底长度，g为缝隙宽度，方阻值记为R₃。参见图4所示。

本发明中，所述组合型贴片与方形贴片在结构上互补，即2种ITO结构投影到平面上基本为完整大方形结构。

本发明中，记自上而下三个介质板的厚度依次为h₁、h₂、h₃，t为PET薄膜厚度；参见图1所示。

这些参数均与本发明多层宽频吸波体的性能密切相关，需要本发明进行优化设计的。

本发明中，所述的吸波体单元中，介质板采用环氧树脂(FR-4)，介电常数为ε_r＝4.3，电正切损耗为tanδ＝0.025；吸波层通过采用磁控溅射技术，在PET薄膜基材上溅射ITO导电薄膜镀层并经过高温退火处理得到；PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate)，介电常数为ε_r＝3，正切损耗为tanδ＝0.018，厚度为t＝0.175mm；ITO结构为具有一定方阻值的半导体图案；金属地板材料为铜，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m，厚度为0.036mm。

本发明中，经过优化的超材料单元结构的参数如下：p＝12mm，h₁＝h₂＝h₃＝1mm，a₁＝4mm， a₂＝10mm，g＝0.5mm，b＝4mm，c₁＝10.5mm，c₂＝3mm，c₃＝2mm，c₄＝2mm，w＝0.6mm；三层ITO结构的方阻值分别为R₁＝200Ω/sq，R₂＝100Ω/sq，R₃＝40Ω/sq。

本发明提供的多层宽频超材料吸波体设计方法，具体步骤如下：

第一步：根据吸波体性能需求和工作频率来初步确定吸波体厚度h和单元周期p

吸波体性能可以用以下参数来衡量，中心工作频率f₀，相对带宽BW，吸收率A。用f_H和 f_L分别表示工作频带内的最高和最低工作频率。相对带宽的计算公式为

吸收率A＝1-T(ω)-R(ω)，其中T和R分别代表传输率和反射率。一般来说，在特定的频段吸波特性取决于厚度h和介质的介电常数ε_r，根据经验公式(2)可初步确定吸波体的初始厚度；

从公式(2)中可见厚度随频率的降低而增大。根据有效媒质理论可知超材料整体可用等效电磁参数来表征，为了实现强吸收需要满足ε＝μ，从而确定满足最强吸收的频率，也就意味着在给定厚度下特定频率只有一个最佳周期，而最佳周期和频率、厚度又有一定的关系，当电磁波入射到超材料内部时，假设电磁场作用在金属地板上会产生感应电流K_E，电场在吸波体表面激发的等效磁流为K_M，则二者分别表示为：

K_E＝H₀×n (3)

其中，n是法向单位矢量，与金属地板相垂直。当K_E＝K_M时，对于垂直入射条件下有H₀＝E₀，从而可以得到：

p≈4h (5)

对于所有基于介质损耗的无源吸波体，其厚度极限可简化为(6)式。其中，h_min为吸波体最小理论厚度，R(λ)为反射系数，可见吸收率会直接影响吸波体的最低设计带宽。

以工作频率范围在6-22GHz为例，其中心频率f₀＝14GHz，可求出h≈5mm，根据厚度极限公式，取|S₁₁|＝-10dB，R(λ)为0.1，最小厚度为h_min＝2.2mm，综合考虑取h＝3mm，p＝12mm。

第二步：根据单元的周期、厚度和带宽确定单元结构、层数和工作于不同频段的多个工作模式(不同层内的ITO结构)

确定单元的厚度和周期后，根据带宽需求，采用多层结构叠加的方式将多个吸波模式级联来拓展吸波带宽。所述吸波模式是由结构类型和方阻值来共同决定，根据电阻膜型吸波体的吸波特性可将ITO结构大致分为三类，即单模、双模和多模工作型。

所述单模工作型，是指工作频段范围内仅有一个工作模式，即工作于单频段；所述双模工作型，是指有两个工作模式，可以在两个离散的频段内实现双峰吸波；所述多模工作型，是指有三个或超过三个工作模式，可实现多个吸收峰级联。方阻值的大小在工作模式上起重要作用，当方阻值较小时为双模工作型，当到达一定临界值后逐渐转变为单模工作型。为进一步拓展工作带宽，可采用吸波特性互补的多模式级联方法，以环形线、方形贴片、组合型贴片三种结构类型为例，故选择三层吸波层，中间用厚度均为1mm的介质板隔开，首先将工作频段6-22GHz 分为三部分：低频6-11GHz，中频11-16GHz和主频6-22GHz，设置三个谐振频率分别为8、 14、18GHz；环形结构周长L与谐振波长相近，故对于四边环形结构的每条边长c₁可近似为：

当f₀＝8GHz时，c₁≈9.4mm，为了延长电流路径可将环形结构拓展为蜿蜒线结构，引入附加弯折部分长度c₃，环形线宽w会影响吸收率，吸收率随宽度w的增大而增大；根据驻波理论，方形贴片结构的边长b一般为λ_o/2：

当f₀＝14GHz，介质为FR-4，其介电常数ε_r＝4.3，可求出b≈5mm；对于组合型贴片结构，分别以8GHz和18GHz为中心频率，初始值为a₁＝4.1mm，a₂＝9.4mm，则可选用具有两个底的梯形贴片结构，考虑到极化和角度不敏感性，所设计的结构应具有四重旋转对称性。

第三步：通过对比研究确定不同吸波层工作机制，确定多层ITO结构的层排布顺序，形成初步模型

通过采用控制变量法进行对比分析来了解不同层结构的工作机制，如通过每次只改变一层结构来观察吸波体单元反射系数的变化，经过对比研究便可了解该层结构所起到的作用；此外空间结构层的排布顺序也对吸波性能有影响，这里以三层ITO结构为例，其排布顺序共有6 种，通过比较不同顺序下的吸波性能可得到最佳排布顺序，实现多层宽频吸波体初步模型。

第四步：对各层结构进行参数扫描，确定整个多层宽频吸波体的结构，实现最终多层宽频吸波体

各层结构可调整的参数包括每层ITO方阻值以及ITO结构几何参数，具体为所述三层ITO 方阻值R₁、R₂和R₃，环形线结构边长c₁和线宽w，方形贴片结构的边长b等。采用电磁仿真软件CST Microwave Studio的频域求解器对反射系数进行仿真，找到具有最宽-10dB吸收带宽和高吸收率的参数，确定最终多层宽频吸波体。

本发明设计的多层宽频超材料吸波体，在TE和TM极化波激发下均表现出优越的宽频吸波性能，并在TM极化下具有角度不敏感特性，且具有厚度薄、结构简单、易于加工等优势。

附图说明

图1为多层宽频超材料吸波体单元结构示意图。

图2为顶层环形蜿蜒线结构图。

图3为中层方形贴片结构图。

图4为底层对称四梯形组合贴片结构图。

图5为对称四梯形组合贴片结构的(a)厚度和(b)周期变化对吸波层反射系数的影响。

图6为对称四梯形组合贴片结构参数对吸波层反射系数的影响。其中(a)梯形上底，(b) 梯形下底，(c)缝隙宽度和(d)ITO方阻值。

图7为吸波体单元的等效电路图。

图8为吸波体单元等效电路理论仿真与FDTD数值计算的吸收率对比图。

图9为不同吸波层结构反射系数对比图。其中，(a)为全部结构和仅有一层结构对比图； (b)为全部结构和两层结构对比图。

图10为TE极化下垂直入射时各吸波层在谐振频率处(8、14、17GHz)的电场分布图。

图11为TE极化下垂直入射时各吸波层在谐振频率处(8、14、17GHz)的电流分布图。

图12为多层吸波体单元六种排列方式(见表1)情形下的反射系数图。

图13为吸波层结构参数对反射系数的影响。其中(a)为顶层环形蜿蜒线宽w，(b)为环顶层ITO的方阻值；(c)为中层方形贴片边长b，(d)为中层ITO的方阻值。

图14为不同斜入射角度下吸波体在(a)TE和(b)TM极化下的吸收率。

图15为多层吸波体仿真和实验结构对比图。其中(a)为反射系数，(b)为吸收率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明；

1、单层ITO结构设计

为说明基于多模电阻吸波体的吸波机理，同时为后期ITO结构类型选择奠定基础，这里基于仿真软件CST Microwave Studio对单层ITO结构吸波特性进行了表征。

以图4中的对称四梯形组合贴片ITO结构为例，首先确定厚度和周期对吸波性能的影响，为区别于最终的多层吸波体单元结构，这里用t₁和p₁分别代表单层ITO结构的厚度和周期。如图5(a)所示，随着厚度t₁的增加工作频带逐渐向低频移动，总体而言t₁＝2.5mm时带宽最宽，其工作频带范围为7.3-14.8GHz，相对带宽为67.8％。如图5(b)，随着p₁从11mm增大到14mm，低频谐振点逐渐向高频移动，而高频段内吸收峰值逐渐减小，综合考虑工作带宽和吸收率，最终选择p₁＝12mm。

接下来对结构参数进行扫描，图6(a-c)分别给出了等腰梯形上底a₁、下底a₂、以及缝隙宽度g变化对吸波体反射系数的影响；其中，吸收峰随a₁增大逐渐由低频转移至高频，工作频带随a₂增大向低频移动，这是由于下底a₂决定结构尺寸大小，而通过上底a₁可间接改变 ITO结构面积，缝隙宽度g主要影响低频谐振点，随着g增大逐渐向高频移动，综合考虑吸收带宽和峰值，g＝0.5mm为最佳选择。方阻值对吸波性能的影响在图6(d)中给出，结合市面上的ITO规格选择了6、40、100、200Ω/sq四种方阻值进行研究，可见当方阻值较小时工作模式为双模型，而到达一定临界值后，转为单模工作型。单层对称四梯形组合贴片结构能够实现最宽吸波带宽的尺寸参数如下：ITO方阻值R＝40Ω/sq，g＝0.5mm，a₁＝4mm，a₂＝10mm。

对于环形和方形贴片结构初始值可以依据中心频率f₀来设计，环形结构周长近似为

以四边环形为例，其边长为

而方形贴片结构尺寸一般为谐振波长的1/2。考虑到极化和角度不敏感性，所设计的结构具有四重旋转对称性。

2、多层ITO结构超材料吸波体设计及分析

确定好选用的ITO结构后，通过多层空间堆叠的方式可实现宽频吸波体。根据等效电路理论，多层ITO结构超材料吸波体可以用如图7所示的等效电路来表示，其主要由串联RLC 电路与传输线并联组成。ITO结构等效为RLC电路，PET薄膜和FR-4介质板等效为传输线，金属地板等效为终端短路线。根据传输线理论，空气和超材料吸波体分界面处的输入阻抗可以根据下面的式子计算得出：

其中，Z₀＝377Ω代表空气中的波阻抗，而Z_L负载阻抗需要根据图7中等效电路进行计算反推得到：首先将等效电路中的阻抗计算分为两部分，一部分是传输线等效特性阻抗Z_di的计算，另一部分是RLC等效电路的特性阻抗Z_pi的计算，其中i＝1,2,3。如图7所示，首先可通过从右至左依次求得每段传输线对应的输入阻抗，该输入阻抗可视为前面传输线的负载Z_Li，则相邻左侧传输线的输入阻抗可由式(10)计算，即

其中Z_c和Z_Li分别代表了传输线的特性阻抗和负载阻抗，d_i是介质的厚度，对于PET薄膜有d_i＝t，对于FR-4介质板d_i＝h_i，传输常数为

其中ε_ri和μ_ri分别为该介质材料的介电常数和磁导率，

ω为对应的角频率，例如终端短路线 Z_L3＝0，则相邻h₃传输线的输入阻抗Z_d3＝jZ_c tan(β₃h₃)。

对于RLC串联电路来说，其特性阻抗由式(11)进行计算，即

其中R_i、L_i、C_i分别代表第i层结构的等效电阻、等效电感和等效电容值，用S_unit和S_patch分别代表吸波体单元和ITO结构的面积，则等效电阻可以通过式(13)来求出，

ITO结构所占面积越小，其等效电阻越大，若是图案为方环，则S_patch为流过电流的面积，等效电感和等效电容可根据ITO结构参数来求出，其经验公式如下：

其中，

l为图案尺寸，若为方形贴片图案，则l为方形贴片边长。等效为电容C＝B/ω时，

等效为电感L＝X/ω，则取

空气和超材料吸波体分界面处的反射系数用R(ω)表示，则最终吸收率可以用下式求出

根据上述理论可将上层环形线，中层方形贴片和底层组合贴片结构分别等效为R₁-L₁-C₁、 R₂-L₂-C₂和R₃-L₃-C₃串联电路，并采用CST Microwave Studio对该初始模型进行仿真，单元在x和y方向均设置为周期边界条件，由于采用了金属地板，在z方向设置为电边界条件，而上方边界条件为open，通过频域求解器进行求解。该FDTD数值仿真结果与等效电路理论计算结果在图8中给出，相比而言理论计算更加理想化，总体来说二者在趋势上保持一致。

如图9(a)所示，具有三层ITO结构的吸波体工作在6.8-20.8GHz，有14GHz的工作带宽，即相对带宽为101.4％。采用控制变量法，其中图9(a)中给出了只含有单层结构时吸波体的反射系数，图9(b)中给出了相对应只缺少一层结构的反射系数对比图，通过对比图9(a)和(b)可以了解每层结构的不同作用。只有底层结构时的反射系数曲线趋势与吸波体整体大致相同，可推断其在主频段起到主要作用；中层结构为双模型，为原本吸波性能不佳的频段提供了很好的补充，特别是在14GHz附近效果最为明显；而顶层作用是在6.8GHz附近谐振来拓展低频段带。为了更深入理解其工作机制，图10和图11分别给出了TE极化波垂直入射下吸波体在三个谐振频率处(8、14、17GHz)的电场和电流分布图。总体来看，底层结构附近电场一直很强，特别是缝隙结构在整个吸收频段内起到很大作用，而低频段主要是由顶层环形蜿蜒线结构来贡献，这是由于其环形蜿蜒线结构延长了电流路径使等效电感增强，故频率向低频偏移。从电场分布侧视图可以看到在14GHz处电场主要源于层间耦合，这是由于通过中层方形贴片ITO结构的局部吸收作用提升了吸收强度。而电场分布的变化引起感应电流使电流分布图发生变化，如图11所示，在低频时电流主要集中在沿电场方向(y方向)的顶层环形线结构上，在14GHz时方形贴片结构上的电流最为集中，同时顶层和底层结构中y方向上贴近方形贴片结构的部分由于层间耦合激发出感应电流。而在17GHz处电流主要集中在底层y方向的梯形结构。

为说明排布方式对吸波体的影响，表1给出了三层结构的六种组合情形，相对应的反射系数仿真结果如图12所示。在II和IV两种情形下的吸波体具有相似的吸波特性(包括谐振频带和吸收峰值)，而这两种情形中，对称四梯形组合贴片ITO均在中层；同样，在V和VI两种情形下，对称四梯形组合贴片结构均位于顶层，都体现出低频窄带吸波特点，进一步说明了对称四梯形组合贴片结构在该多层吸波体中发挥主要作用，这里选择情形I作为排布方式。

表1多层吸波体单元排布方式

组合	底层	中层	顶层
				I	3	2	1
II	2	3	1
				III	3	1	2
IV	1	3	2
				V	2	1	3
VI	1	2	3

3、多层超材料吸波体仿真与实验

接下来对多层超材料吸波体的结构参数和ITO方阻值进行仿真研究，如图13(a)所示，随着顶层环形蜿蜒线宽w的增加，吸收峰逐渐增大但向高频偏移，综合考虑带宽和吸收率选择w＝0.6mm。从图13(c)可以看出对于中层方形贴片ITO结构而言，吸波带宽随边长b增加逐渐变宽，但其反射系数逐渐恶化，综合考虑选择b＝4mm作为最佳尺寸。图13(b)和(d)分别给出了不同方阻值对反射系数的影响，通过参数扫描可得三层ITO最佳方阻值分别为：R₁＝200Ω/sq，R₂＝100Ω/sq，R₃＝40Ω/sq。

最后的结构参数在表2中列出。

表2吸波体单元结构参数(mm)

进一步研究多层宽频超材料吸波体的极化和角度吸波特性，分别在TE和TM极化下进行斜入射角度的仿真，电场方向与入射平面垂直即为TE极化，这里设置TE极化电磁波沿xz面入射，其电场沿y方向，结果如图14所示，从仿真结果可以看出，入射角从0°到60°变化时，在TE极化下吸波体的吸收率逐渐降低，而在TM极化下的吸收率随角度增大高频段逐渐变好，能够保持在80％以上。总体而言，无论是TE波还是TM波，所设计的吸波体宽角度入射下吸波性能良好。

图15(a)和(b)分别给出了吸波体反射系数和吸收率的实验与仿真结果对比图，从图中可以看出，在6.68-21.8GHz频带内反射系数小于-10dB，相当带宽达104.1％，从7.15-18GHz 的吸收率均高于90％，其中最低频吸收率可达86％。仿真和实验结果吻合良好。最终吸波体总厚度仅有3.5mm，相比于目前多层吸波体其厚度较薄，并能够实现有效宽频吸波。

Claims

1.基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，是由吸波体单元沿x和y方向周期性延拓形成的阵列，周期为p；所述吸波体单元由底部金属地板和三层吸波层-介质板堆叠构成；所述吸波层为印制在连续PET薄膜上的具有一定结构的ITO电阻膜；所述吸波体单元的三层为：顶层环形蜿蜒线ITO结构，中层方形贴片结构，底层对称四梯形组合型贴片结构；相邻两层PET薄膜间由介质板隔开；单元底部为金属地板；单元结构呈中心对称；其中：

顶层的环形蜿蜒线的具体形状如下：外形整体围成大正方形状，大正方形状的四角均围成为一小正方形体，大正方形状的每边均有2个向内的方形凸起，中间形成一个向外的方形凸起；记w为环形蜿蜒线宽度，c₁为大正方形体的长度，c₂为四角的小正方形体外侧长度，c₃为环线中各个向内方形凸起的高度，c₄为环线中各个向内方形凸起的宽度，环形蜿蜒线总长度为L＝4(c₁+4c₃)，方阻值记为R₁；

中间层的方形贴片位于中心部位，记b为其一边长度，方阻值记为R₂；

底层的对称四梯形组合型贴片，具体形状为由四个同样形状和大小的底角为45度等腰梯形围成的正方形体，相邻两等腰梯形之间有缝隙；记a₁为等腰梯形的上底长度，a₂为等腰梯形的下底长度，g为缝隙宽度，方阻值记为R₃；

所述组合型贴片与方形贴片在结构上互补，即2种ITO结构投影到平面上基本为完整大方形结构；

记自上而下三个介质板的厚度依次为h₁、h₂、h₃，t为PET薄膜厚度。

2.根据权利要求1所述的基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，介质板为FR-4环氧树脂，介电常数为ε_r＝4.3，电正切损耗为tanδ＝0.025；吸波层通过采用磁控溅射技术，在PET薄膜基材上溅射ITO导电薄膜镀层并经过高温退火处理得到，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，介电常数为ε_r＝3，正切损耗为tanδ＝0.018，厚度为t＝0.175mm；金属地板材料为铜，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m，厚度为0.036mm。

3.根据权利要求1所述的基于多模电阻的多层宽频超材料吸波体，其特征在于，经过优化的结构的参数如下：p＝12mm，h₁＝h₂＝h₃＝1mm，a₁＝4mm，a₂＝10mm，g＝0.5mm，b＝4mm，c₁＝10.5mm，c₂＝3mm，c₃＝2mm，c₄＝2mm，w＝0.6mm；三层ITO结构的方阻值分别为R₁＝200Ω/sq，R₂＝100Ω/sq，R₃＝40Ω/sq。

4.一种如权利要求1所述的多层宽频超材料吸波体的设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：根据吸波体性能需求和工作频率来初步确定吸波体厚度h和单元周期p；

吸波体性能用以下参数来表征，中心工作频率f₀，相对带宽BW和吸收率A；用f_H和f_L分别表示工作频带内的最高和最低工作频率；相对带宽的计算公式为：

吸收率A＝1-T(ω)-R(ω)，其中T和R分别代表传输率和反射率；吸波体厚度h和工作频率f₀以及介电常数紧密相关，设介质的介电常数为ε_r，由经验公式(2)和(3)初步确定吸波体厚度h和单元周期p：

p≈4h(3)

对于所有基于介质损耗的无源吸波体，其厚度极限可简化为(4)式：

其中，h_min为吸波体最小理论厚度，R(λ)为反射系数：

当工作频率范围在6-22GHz时，其中心频率f₀＝14GHz，根据厚度极限公式，取|S₁₁|＝-10dB，R(λ)为0.1，最小厚度为h_min＝2.2mm，综合考虑取h＝3mm，p＝12mm；

第二步：根据单元的周期、厚度和带宽确定单元结构、层数和工作于不同频段的多个工作模式；

确定单元的厚度和周期后，根据带宽需求，采用多层结构叠加的方式将多个吸波模式级联来拓展吸波带宽；所述吸波模式由结构类型和方阻值来共同决定，根据电阻膜型吸波体的吸波特性，将ITO结构大致分为三类，即单模、双模和多模工作型：

单模工作型是指工作频段范围内仅有一个工作模式，即工作于单频段；双模工作型是指有两个工作模式，可以在两个离散的频段内实现双峰吸波；多模工作型是指有三个或超过三个工作模式，可实现多个吸收峰级联；方阻值的大小在工作模式上起重要作用，当方阻值较小时为双模工作型，当到达一定临界值后逐渐转变为单模工作型；为进一步拓展工作带宽，采用吸波特性互补的多模式级联方法；对于环形线、方形贴片、组合型贴片三种结构类型，选择三层吸波层，中间用厚度均为1mm的介质板隔开，首先将工作频段6-22GHz分为三部分：低频6-11GHz，中频11-16GHz和主频16-22GHz，设置三个谐振频率分别为8、14、18GHz；环形结构周长L与谐振波长相近；对于四边环形结构的每条边长c₁近似为：

其中，c为光速，当f₀＝8GHz时，c₁≈9.4mm；

为了延长电流路径将环形结构拓展为蜿蜒线结构，引入附加弯折部分长度c₃，则周长L＝4(c₁+4c₃)，环形线宽w会影响吸收率，吸收率随宽度w的增大而增大；根据驻波理论，方形贴片结构的边长b为λ_o/2，λ_o为中心工作波长：

当f₀＝14GHz，当介质为FR-4环氧树脂，其介电常数ε_r＝4.3，求出b≈5mm；对于组合型贴片结构，分别以8GHz和18GHz为中心频率，初始值为a₁＝4.1mm，a₂＝9.4mm，则选用具有两个底的梯形贴片结构，考虑到极化和角度不敏感性，所设计的结构应具有四重旋转对称性；

第三步：通过对比研究确定不同层结构的作用与工作机制，确定多层ITO结构的层排布顺序，形成初步模型；

通过采用控制变量法进行对比分析来分析不同层结构的工作机制；具体地，通过每次只改变一层结构来观察吸波体单元反射系数的变化，经过对比研究便可了解该层结构所起到的作用；此外，空间结构层的排布顺序也对吸波性能产生影响；对于三层ITO结构，其排布顺序共有6种，通过比较不同顺序下的吸波性能得到最佳排布顺序，实现多层宽频吸波体初步模型；

第四步：对各层结构进行参数扫描，确定吸波体结构参数，实现最终多层宽频吸波体；

各层结构可扫描参数包括每层ITO方阻值以及ITO结构的几何参数，具体为三层ITO方阻值R₁、R₂和R₃，环形线结构的c₁、c₂、c₃、c₄和w，方形贴片结构的b，组合型贴片结构的a₁，a₂，g；采用电磁仿真软件CST Microwave Studio的频域求解器对反射系数进行仿真，找到具有最宽-10dB吸收带宽和高吸收率的参数，确定最终多层宽频吸波体。

5.根据权利要求4所述的所述的多层宽频超材料吸波体的设计方法，其特征在于，所述超材料单元结构的参数如下：p＝12mm，h₁＝h₂＝h₃＝1mm，a₁＝4mm，a₂＝10mm，g＝0.5mm，b＝4mm，c₁＝10.5mm，c₂＝3mm，c₃＝2mm，c₄＝2mm，w＝0.6mm；所述三层ITO结构的方阻值分别为R₁＝200Ω/sq，R₂＝100Ω/sq，R₃＝40Ω/sq。