超寬頻微波吸收設計：接近“因果律極限”

2021-09-10 16:44

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | 屈思超（香港科技大學，博士生）

說明 | 本文來自課題組投稿

電磁波不僅僅是信息的傳遞者，也是能量的攜帶者。在這個通信技術高度發達的時代，人類所處的環境里，電磁能量正在不斷升高。這一方面是因為基站的興建增加，另一方面，追求更高的頻段，更大的信息容量也是一個主要的因素（例如：5G通信技術）。

有研究表明，長時間暴露在高能量密度的微波里可能會對人體產生一定的損傷，因此，解決微波吸收問題具有越來越重要的意義。此外，微波吸收在電磁屏蔽、抗電磁干擾、雷達隱身也具有至關重要的價值。

然而，由于微波的波長較長，能輕易穿透或繞過固體材料（否則，我們很難在室內接收到手機信號）——如何實現高吸收、寬頻段的吸收也一直是研究的熱點、難點。

圖源（圖1）：Light新媒體

當然，如果采用很厚的尖劈狀的吸波海綿，是可以輕而易舉實現寬頻和高吸收的目標——這正是微波暗室的墻體覆蓋的材料。但是，其不可忽視的巨大厚度使得在很多場景的應用變得不切實際。

因此，設計一種厚度薄、同時兼備性能佳的吸波材料就是本工作著力解決的問題。由于材料的響應總是滯后于入射波（即“因”導致“果”），已有大量理論研究表明，材料的吸收性能受到“因果律極限”的限制——物理基本規律允許的最小厚度和所需的吸收性能是對應的。

香港科技大學的沈平院士課題組致力于研發性能接近于“因果律極限”的超材料吸收器。在聲學系統里，課題組通過設計最優的Fabry-Parot共振態分布，實驗上實現了寬頻的阻抗匹配和并且逼近性能極限，見Materials Horizons 4.4 (2017): 673-680，相關成果已經投入產業應用（詳情見靜音科技公司（網址鏈接>>>）。

而對于電磁波系統，由于其橫波特性的特殊性，無法直接獨立地操縱不同的共振態，因此對設計造成了新的困難；此前還未有電磁波系統里的實驗報道實現這一性能極限。

近日，沈平院士課題組以 Conceptual-based design of an ultra-broadband microwave metamaterial absorber 為題在 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) 刊登了微波吸收領域的最新研究成果。研究人員其從理論設計角度解釋了電磁波超材料與聲學系統不同的吸收機制，并且同樣通過實驗證明了其吸收性能接近理論允許的極限。

圖源（圖2）：PNAS

研究團隊首次發現，盡管金屬環結構（見圖3a）早已經在電磁超材料領域被廣泛研究，但作為吸收器的潛力沒有完全被充分探縮利用。當其按周期性陣列排列的時候，在平面波的激發下，相鄰的環會耦合產生電偶極子模式的響應。通過在環上引入可以調節的電阻，而后發現最優的電阻為440歐姆（接近真空阻抗），原本高度頻率依賴的“共振峰”相互融合，通過耗散這一額外的自由度，實現寬頻的阻抗匹配（見圖3b）。這一過程被稱之為“色散工程”，即通過改變系統的幾何、耗散等來實現目標的材料屬性。

圖3：（a）安裝有電阻的金屬環結構；（b）寬頻的阻抗匹配。（圖源：課題組提供）

更進一步地，研究團隊發現，通過堆疊兩層自相似的金屬環結構陣列（見圖4），可以極大程度地拓寬吸收譜頻段。

圖4：實驗樣品示意。（圖源：課題組提供）

即是，將大金屬環和小金屬環分別對應的吸收頻段（圖5a和圖5b），將拼接形成超寬頻行為的吸收譜（圖5c，藍色曲線）。為了消除高頻衍射帶來的影響，研究組將超材料和傳統吸波海綿結合，最后整合的吸收器平均的反射損失在-19.4dB（圖5c，橙色曲線），即吸收率接近99%。并且，作為對比，相同厚度的吸波海綿也被測量作為對照組（圖5c，綠色曲線）——結果顯示，超材料吸收器在低頻表現更優越，并且整體吸收性能接近理論極限（實際厚度14.2mm，極限厚度13.5mm）。