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超宽频微波吸收设计：接近“因果律极限”

2021-09-10 16:44

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 屈思超（香港科技大学，博士生）

说明 | 本文来自课题组投稿

电磁波不仅仅是信息的传递者，也是能量的携带者。在这个通信技术高度发达的时代，人类所处的环境里，电磁能量正在不断升高。这一方面是因为基站的兴建增加，另一方面，追求更高的频段，更大的信息容量也是一个主要的因素（例如：5G通信技术）。

有研究表明，长时间暴露在高能量密度的微波里可能会对人体产生一定的损伤，因此，解决微波吸收问题具有越来越重要的意义。此外，微波吸收在电磁屏蔽、抗电磁干扰、雷达隐身也具有至关重要的价值。

然而，由于微波的波长较长，能轻易穿透或绕过固体材料（否则，我们很难在室内接收到手机信号）——如何实现高吸收、宽频段的吸收也一直是研究的热点、难点。

图源（图1）：Light新媒体

当然，如果采用很厚的尖劈状的吸波海绵，是可以轻而易举实现宽频和高吸收的目标——这正是微波暗室的墙体覆盖的材料。但是，其不可忽视的巨大厚度使得在很多场景的应用变得不切实际。

因此，设计一种厚度薄、同时兼备性能佳的吸波材料就是本工作着力解决的问题。由于材料的响应总是滞后于入射波（即“因”导致“果”），已有大量理论研究表明，材料的吸收性能受到“因果律极限”的限制——物理基本规律允许的最小厚度和所需的吸收性能是对应的。

香港科技大学的沈平院士课题组致力于研发性能接近于“因果律极限”的超材料吸收器。在声学系统里，课题组通过设计最优的Fabry-Parot共振态分布，实验上实现了宽频的阻抗匹配和并且逼近性能极限，见Materials Horizons 4.4 (2017): 673-680，相关成果已经投入产业应用（详情见静音科技公司（网址链接>>>）。

而对于电磁波系统，由于其横波特性的特殊性，无法直接独立地操纵不同的共振态，因此对设计造成了新的困难；此前还未有电磁波系统里的实验报道实现这一性能极限。

近日，沈平院士课题组以 Conceptual-based design of an ultra-broadband microwave metamaterial absorber 为题在 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) 刊登了微波吸收领域的最新研究成果。研究人员其从理论设计角度解释了电磁波超材料与声学系统不同的吸收机制，并且同样通过实验证明了其吸收性能接近理论允许的极限。

图源（图2）：PNAS

研究团队首次发现，尽管金属环结构（见图3a）早已经在电磁超材料领域被广泛研究，但作为吸收器的潜力没有完全被充分探缩利用。当其按周期性阵列排列的时候，在平面波的激发下，相邻的环会耦合产生电偶极子模式的响应。通过在环上引入可以调节的电阻，而后发现最优的电阻为440欧姆（接近真空阻抗），原本高度频率依赖的“共振峰”相互融合，通过耗散这一额外的自由度，实现宽频的阻抗匹配（见图3b）。这一过程被称之为“色散工程”，即通过改变系统的几何、耗散等来实现目标的材料属性。

图3：（a）安装有电阻的金属环结构；（b）宽频的阻抗匹配。（图源：课题组提供）

更进一步地，研究团队发现，通过堆叠两层自相似的金属环结构阵列（见图4），可以极大程度地拓宽吸收谱频段。

图4：实验样品示意。（图源：课题组提供）

即是，将大金属环和小金属环分别对应的吸收频段（图5a和图5b），将拼接形成超宽频行为的吸收谱（图5c，蓝色曲线）。为了消除高频衍射带来的影响，研究组将超材料和传统吸波海绵结合，最后整合的吸收器平均的反射损失在-19.4dB（图5c，橙色曲线），即吸收率接近99%。并且，作为对比，相同厚度的吸波海绵也被测量作为对照组（图5c，绿色曲线）——结果显示，超材料吸收器在低频表现更优越，并且整体吸收性能接近理论极限（实际厚度14.2mm，极限厚度13.5mm）。