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《光学学报》2022年第22期封面故事:利用“积木拼搭”方法,构建宽带超材料吸波体

已有 319 次阅读 2022-11-25 11:07 |系统分类:论文交流

封面 | 利用“积木拼搭”方法,构建宽带超材料吸波体

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封面解析:封面下方为刻蚀于单层导电塑料膜上的周期性谐振结构单元,该吸收单元对不同极化以及不同入射角度的电磁波均具有良好的宽带吸收效果。所设计的导电塑料膜谐振结构可单独加工制备,因此用以支撑导电塑料膜单元的介质层材料可以根据吸波体的应用场景要求进行替换,为发展宽带超材料吸波体提供了新的思路。

《光学学报》2022年第22期封面文章 | 邓光晟,陈文卿,余振春,杨军,尹治平; 基于导电塑料膜的角度不敏感宽带超材料吸波体设计及制备[J].光学学报, 2022, 42 (22):2216001.

导读:合肥工业大学邓光晟副研究员课题组提出了一种谐振结构与基底介质层可分离加工的宽带超材料吸波体。这种积木拼搭式的加工方案不仅节省了制备时间,也使得基底材料的选择不再受电阻膜加工的制约,为发展多用途的宽带超材料吸波体提供了新方案。

1、研究背景

在电磁屏蔽和雷达隐身等领域,宽带电磁波吸收材料起到了至关重要的作用。超材料作为一类可自由调控电磁波的人工介质,为构建电磁吸波材料提供了新的途径。

构建宽带超材料吸波体的主要方法有加载集总电阻元件,使用多层堆叠结构和采用多个单元复合结构等,但上述方法不可避免地增大了吸波体的体积和厚度,不利于器件的轻量化。利用电阻膜结构代替金属结构,可以将电磁谐振转化为电路谐振模式,使得吸波体的表面阻抗与自由空间阻抗可以在较宽的频率范围内进行匹配,从而实现宽带吸收效果。

现有报道的电阻膜一般采用导电墨水或者氧化铟锡(ITO)薄膜。对基于导电墨水的宽带超材料,其加工方式一般采用丝网印刷工艺,加工过程中墨水厚度不均匀对电阻膜谐振单元的方阻影响较大,进而影响了吸波器的吸收特性。对基于ITO薄膜的宽带超材料,也需首先在基底表面旋涂ITO薄膜,限制了基底材料的选择。此外,对现有的电阻膜超材料吸波体,谐振结构均需在介质基底上进行加工,流程繁琐。

2、基于导电塑料膜的宽带超材料吸波体

所提出的电阻膜吸波体结构采用介质层-导电塑料膜谐振单元阵列-介质层的三层结构模型,如图1所示。图中蓝色区域为介质层,选用的介质材料为peek材料;两层介质板之间为导电塑料膜谐振单元,膜的厚度为0.1mm,利用方阻仪测得的导电塑料膜方阻值为100Ω,谐振单元采用正方形环内套空心圆环的结构。

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1 电阻膜吸波体单元结构示意图:(a)吸波体单元示意图;(b)俯视图;(c)侧视图

该研究对所设计的超材料吸波体进行了加工制备,结构样品及电阻膜谐振结构分别如图2a)、(b)所示。相较传统超材料吸波体的整体成型加工方式,本设计中的膜谐振结构与上下层介质基底可独立加工制备,并通过拼搭的方式构成一个整体,极大地提升了基底材料选择的自由度。

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2样品及测试。(a)样品示意图;(b)导电塑料膜谐振结构;(c)实验平台

课题组还研究了所制备的超材料吸波体对不同极化角和斜入射角的电磁波的吸收特性。如图3所示,该结构对入射波的极化特性不敏感,且在6.922.7GHz的频率范围内可以实现90%以上的入射波吸收率,相对吸收带宽为106.8%。图4给出了该结构对不同极化波在斜入射情况下的吸收频谱,当入射角增大到60°时,宽频带内的入射波吸收率仍能保持在80%以上,因此该超材料吸波结构对TETM极化波均具有良好的宽角特性。

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3 不同极化角的入射波吸收频谱。(a)模拟结果;(b)测试结果

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4  测试得到的吸波体对不同入射角的电磁波吸收频谱。(aTE极化;(bTM极化

3、未来展望

本文提出了一种谐振结构与基底介质层可分离加工的宽带超材料吸波体,并利用peek板为介质基底实现了吸波体的制备。在后续工作中,课题组将针对不同的吸波体应用场景,继续深入研究不同的介质层取材及搭配方式,推进该方法的实际应用。

 

科学编辑:邓光晟; 余振春

编辑:张浩佳





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