本征超材料谐振腔结构设计以拓宽传统碳系吸波剂有效吸收带宽

马于嵩 罗念 倪朝阳 管荣亭 张国瑞 王郁 陈枫^*

受四分之一波长理论限制，以简单蒙皮结构为使用形式的吸波材料的有效吸波带宽（EAB）无法满足日益复杂的电磁环境的使用需要。而超材料宏观结构设计与吸波材料微观损耗功能相结合是一种有效的解决方案。但目前学界的研究偏向于将宏观尺度构成超材料的结构相与微观层面发挥损耗作用的功能相区分开，这极大地限制了超材料在纳微米尺度上对电磁波的吸收能力。为此，我们研究了结构功能一体化的碳基本征超材料。研究发现，多重立方体谐振腔的结构设计将有助于更宽频带的电磁波进入到超材料内部进而被耗散掉。同时，我们注意到在有电磁波作用时，超材料底部激发出了环形电流，进而产生了磁响应，提供了额外的电磁波能量耗散通道。利用电磁仿真软件我们确定了超材料性能最佳的结构参数，模拟结果表明当电磁波频率在2~18 GHz范围时，出现了两个吸收峰，最终实现了5.8~18 GHz的全波段吸收，制成的超材料设备的EAB是传统蒙皮结构最佳EAB的2.37倍，等效为蒙皮结构它的厚度仅为2.97 mm。此外，无论是横向电场极化还是横向磁场极化，三维超材料结构均具备优秀的极化不敏感性，当电磁波斜入射时也有良好的吸波性能表现。我们模拟了其涂装于无人机表面的雷达散射截面积（RCS），相比于理想金属导体制成的无人机，有超材料设备涂装的无人机在电磁波入射的各个方向上均实现了良好的RCS缩减。它的结构易于加工，极大地拓宽了传统碳系吸波剂的使用范围，并为其他研究人员的工作提供了有价值的见解。

图1.研究概述，超材料结构的设计思路及其制备过程。

图2.电磁波不同相位下底部环形电流、超材料表面磁场响应以及宏观-微观-纳米尺度电磁损耗机理。

图3.电磁波不同的频率下，超材料的电场分布图及能量损耗分布图。

图4.碳系本征超材料的RCS应用表现。

相关成果以“Resonant cavity structural design of carbon-based intrinsic metamaterial

absorbers for broadening the effective absorption bandwidth”发表在Chemical Engineering Journal（DOI: 10.1016/j.cej.2024.157508）上。文章第一作者为四川大学高分子科学与工程学院硕士生马于嵩，通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院陈枫教授。