用于廣角和寬帶微波吸收的 3D 打印螺旋槳狀超材料

供稿人：張童童 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

超材料是由亞波長(zhǎng)單元構(gòu)成的人工結(jié)構(gòu)，其具有奇特的電磁特性和自然界中材料所不具備的功能。電磁波吸收超材料，尤其是寬帶和廣角吸收體，在民用和軍事領(lǐng)域都具有重要的價(jià)值。迄今為止，大多數(shù)吸波超材料都是基于傳統(tǒng)的等效電路理論和有效介質(zhì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的。然而，這些方法通常適用于電磁波正常入射在超表面吸收器上的情況�？紤]到在3D結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電磁場(chǎng)分布和空間各向異性，上述方法在大角度斜入射下的適用性大大降低。

南京大學(xué)的Ruiyang Tan 提出并展示了一種基于天線互易理論的 3D 打印螺旋槳式吸波超材料。天線互易理論是指當(dāng)天線以優(yōu)化后的源阻抗端接作為負(fù)載進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)，將具有與其自身輻射模式相對(duì)應(yīng)的吸收性能。使用熔融沉積建模 (FDM) 3D 打印技術(shù)從自制的炭黑 (CB) 填充聚丙烯 (PP) 復(fù)合線材中制造了吸波超材料樣品，如圖1所示。

圖1 螺旋槳式吸波超材料的制備過(guò)程

其使用了典型的磁電偶天線，設(shè)計(jì)了一個(gè)類似螺旋槳的結(jié)構(gòu)單元，如圖2 所示。電流為J的頂部金屬葉片相當(dāng)于一個(gè)電偶極子，等效磁化強(qiáng)度為M的垂直金屬軸相當(dāng)于磁偶極子。電偶極子在電場(chǎng)平面上具有8字形輻射圖案，在磁場(chǎng)平面上具有O形圖案，而磁偶極子具有相反的特性。如果它們以適當(dāng)?shù)姆�度和相位同時(shí)組合和激發(fā)，則可以通過(guò)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)全向輻射，通過(guò)天線互易理論說(shuō)明，其也可以達(dá)到寬帶吸波。整個(gè)結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性以削弱極化靈敏度。

圖 2 類螺旋槳吸波結(jié)構(gòu)原理 （a）類螺旋槳結(jié)構(gòu)的模態(tài)含義（b）和不同模式的輻射方向圖、電場(chǎng)分布和電流分布（c-e）

如圖3所示，反射率曲線與模擬結(jié)果很接近。螺旋槳式吸波超材料可以實(shí)現(xiàn)3.5 GHz至11.2 GHz法向入射電磁波90%以上的有效吸收，帶寬略寬于仿真結(jié)果。并且證明了基于磁電偶天線設(shè)計(jì)的吸波超材料對(duì)TE和TM偏振具有良好的廣角和寬帶吸收性能。

圖3 樣品和反射率測(cè)量系統(tǒng) (a)測(cè)量和模擬反射率的比較 (b)測(cè)量的吸波材料在不同入射角下對(duì) TE 偏振 (c) 和 TM 偏振 (d) 的吸收性能

參考文獻(xiàn)：
Ruiyang, T. et al. 3D printed propeller-like metamaterial for wide-angle and broadband microwave absorption. Journal of Materials Science & Technology. 2023;45.