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由非平面超材料与磁性吸波材料复合而成的可量产的超宽带微波吸收器
摘要：对于材料科学家来说，如何拓宽电磁波吸收器的吸收频段一直以来都是一项极大的挑战。在这里，我们提出了一个非平面式超材料(MM)和磁性吸波材料(MAM)复合而成的双层结构的电磁波吸收器。这个由磁性微波吸收材料取代绝缘基板组成的立式超材料在低频段表现出良好的吸波性能，并且在较宽的频段范围内反射的电磁波较少。得益于磁性吸波材料层在高频段强吸收的性质，这种轻型材料在2-18GHz的范围内都具有90%以上的吸收率。我们的研究得到了一个具有广泛前景并且具有可操作性的方法，这种方法可以极大地扩展和控制电磁波吸收器的带宽。
具有工作带宽宽和厚度薄等优点的微波吸收材料在天线、隐身、电磁(EM)适应性等方面发挥了重要作用[1,2]。在无线电频段范围内，雷达和其余的被广泛应用的通信设备主要应用频段在2-18GHz[3]。在这个频段范围内，磁性金属材料和铁氧体纳米颗粒晶体复合而成的磁性吸波材料由于其具有吸收频段宽、重量轻、厚度薄等特点而被广泛研究和使用[4-7]。这种材料就算厚度只有1mm[8,9]也可以吸收85%以上在8-18GHz频段范围内的的入射电磁波。然而，由于Snoek极限的存在，这种材料在整个2-18GHz的频段范围内不能同时表现出高的磁损耗和阻抗匹配[10,11]。导致最终只在少数几个频段范围内可以达到90%以上的吸收率[-10dB的反射损失(RL)]，而且在2-8GH频段范围内的吸收较弱。另一种类型的薄磁性吸波材料诸如纳米碳纤维[12]、纳米级别的磁性浆料[13]和一些多层复合形成[14]的窄波段磁性吸波材料。
主要由亚波长周期性金属元素组成的电磁超材料(MMs)被证实有负反射指数和对于电磁波可控的反射率、吸收率、传输率等特殊的属性[15-17]。最近Landy等[18]发现了一种电磁波的“完美吸收器”，并通过计算得到其在11.48GHz频段附近有99%的吸收率，其结构是将一个开口金属谐振环置于介质基板的一侧，再将一块铜片置于介质基板的另一侧。这种类型的电磁波吸收器有一种独特的优势，就是仅仅通过改变超材料的结构单元就可以改变吸收器的主要吸收频率，这种“完美吸收器”一样具有质量轻和厚度薄的特点[19]。但是由于其吸收频率较窄导致其应用受限[20]。目前研究的焦点就是拓宽其吸收频率[20-25]，包括引进频率色散效率和设法改变基体的材料和超材料单元的结构[26,27]。然而对于传统的磁性吸波材料制成电磁波吸收器来说，在2-18GHz的频段范围内拓宽其吸收频段仍是一项艰巨的任务。这表明通过单个的新兴立式超材料单元或者具有缺陷的传统电磁波吸收器来完成这个任务是一项重大的挑战[10,11,28]。
在我们的工作中我们将超材料和磁性吸波材料结合在一起去创造一种新的具有极宽吸收频段和质量轻的双层复合吸波器，它的上层由与波的传播方向平行立式超材料构成，下层由一层磁性吸波材料构成。在这个双层的复合吸收材料中，上层的非平面超材料主要吸收低频的电磁波并且允许高频的电磁波没有反射的穿透它。下层的磁性吸波材料则对于高频的电磁波具有很强的吸收性。结果就是我们获得了一个吸收频段宽、效率高、质量轻并且可调控的吸波器。这个结构是可以灵活改变的，通过操控改变其材料或者部分结构可以比引用到不同的场景中，诸如隐身、电磁兼容和通信中。
如果我们把超材料比作一个同种属性混合的中间物，这个符复合吸波器可以被视作一个双层的结构。图1(a)向我们展示了电磁波是如何在吸波器里面传播的。假设复合的S参数在表层与空气之间分别是S11,S21,S12和S22，在金属与第二层的之间的反射系数是r。则在整个双层系统和金属之间的反射系数可以写作
（1）
图1.(a)电磁波在双层复合吸波器中的传播示意图。(b)三维的吸波器示意图。(c)一个包含电磁波传播方向的超材料结构单元的几何示意图。(d)S参数的幅值。(e)S参数的相位值。
当 、、、ε,mu;,k和d分别表示介电常数，磁导率，波数和第二层材料厚度时。除了d以外的变量均为复数。由公式(1)我们可知当S11和S21都接近0的时候，无论r的数值是多少，系统的总的反射率总是接近0的。因为第一层材料的吸收率满足，S11和S21越小吸收率越高。因此我们可以认为只要第一层材料的吸收率足够高，无论第二层材料性能如何，该双层系统对于电磁波都具有很强的吸收性。另一方面，如果第一层的超材料对于电磁波具有具有很好的穿透性，也就是材料的具有非常小的S11和很大的S21，此时只要底层材料的r接近0，整个系统的的反射系数也会接近0.以上是实现双层复合对于电磁波强吸收的两种极端条件。通常来说，我们要求整个双层材料具有很小的S11和S22，很大的S21和S12以及具有较小反射系数r的底层材料来实现对于电磁波的强吸收。总结来说，对于提高电磁波的吸收率，最为关键的是具有足够小的S11的超材料。不然，就无法实现对于电磁波的强吸收。
通过上面的研究，我们可以设计一种双层的宽频带的复合吸波器模型：上层超材料对于8GHz以下频段的电磁波具有强吸收性，并且能够在整个工作频段具有较好的穿透性以便让高频电磁波能够穿透它到达底层材料的位置。如图所示，处在底层的金属背板上传统磁性吸波材料对于8-18GHz段的电磁波具有良好的吸收性[29]。然而，磁性微波吸收器发展至今几乎都是由平面材料或被称为融合表面的材料构成的[30]。它们在较窄的频段范围内具有很强的吸收效应，这种吸收效益高度依赖于他们的干涉效应和阻尼效应[31]。而且，这一类超材料并不适合与传统的磁性材料复合形成宽频段的吸收器。最近，与电磁波入射方向相平行的非平面超材料是我们提出的合适的方案[27,32,33]。这种非平面超材料吸收器可以不才用反射背板的设计，另外，这种非平面超材料的吸收机理并不依赖干涉效应。由此可见，这种非平面超材料可以在一个频段范围内实现几乎完美吸收，并且在较宽频段范围内的反射较小。这启发了我们，让我们将非平面超材料置于普通的磁性吸波材料之上来实现一种逻辑可行的具有超宽吸收频段的复合吸波器。因此，在现有的关于非平面的超材料[27,32]的研究中，由嵌入式电子元件的引入，导致超材料的制作过程变得更为复杂，其在入射电磁波方向的有效厚度也达到了30mm。在接下的研究中，我们设计了一种更为紧凑的结构，我们用自由的基总元件来来制作一个低频高吸收的超材料单元，用在宽频段范围内反射较少得磁性吸波材料作为基体。如图1(b)所示，将非平面超材料置于传统吸波材料涂层之上来制作一种复合的双层的吸波器，这种吸波器同时具有8-18GHz完美吸收和非平面超材料低频吸收的特点。
图1(c)是非平面超材料结构单元某一面的几何示意图。另一面与这一面是一个相互对称的结构。为了确保超材料的共振频率在2-4GHz的范围内，我们设计两根金属铝条的长度分别为l1=24mm,l2=26.7mm,宽度w=1mm,两根金属条的间距g=5.4mm。超材料结构单元的尺寸分别是高a=8mm，周期长度为p=30mm。在这个结构中，铝箔的厚度是0.02mm，电导率为3.56times;107S/m。该材料在不同频率下的S参数由商业模拟软件Comsol Multiphysicstrade;通过有限元(FEM)方法计算得到。其结果的幅值和相位部分分别在图1(d)和图1(e)中。
用磁性吸波材料作为基体是使超材料获得很强的低频吸收性能的重要方法。图1(d)向我们展示了非平面超材料的S11和S21参数都在2.4GHz有一个极小值。这意味着该材料在此频段有一个较强的吸收峰。我们熟知的，超材料吸波器的损耗主要是有三个原因：介电损耗、磁损耗和金属中的欧姆损耗。在微波频段，我们可以近似认为超材料是一个完美导体，所以其欧姆损耗可以忽略不计[34]。因此，超材料对于电磁波的吸收损耗几乎都是因为基体。当我们使用非磁性材料（诸如FR-4）作为基板的时候，我们只用考虑材料的的介电损耗，介电损耗的计算公式：。这里的E表示材料中的电场值，omega;和ε'分别表示角频率和超材料基体介电的虚部。很显然，介电损耗Pe的大小基本取决于材料中电场E的大小，这与超材料的结构单元的设计是紧密相连的。这也是为什么超材料的核心是其结构单元的设计。当然，基体材料也对Pe具有重大影响，其影响正比与ε'。当以磁性材料作为基体的时候，材料中的损耗包括介电损耗和磁损耗。在这种情况下，电磁波能量的总损耗可以表示为公式：在这里，H表示的是基体中的磁场，mu;'表示的是磁导率的虚部。图S2向我们展示了用磁性吸波材料作为基体材料时比用FR-4具有更高的损耗。这表明了用磁性吸波材料做基体比用绝缘材料对于电磁波的吸收性更强。此外，在非共振频段，磁性材料因为其磁损耗[29]的存在仍然会吸收20%左右电磁波，而绝缘材料对于电磁波几乎全部反射。
超材料里面的金属薄片阵列具有带阻的特性[35]，这个特性让超材料表示出对于较宽波段的透过性。在共振频段，电场与超材料单元之间产生耦合效应，使得电磁波的能量返射回去或者消散掉；在非共振频段，超材料单元表现出对电磁波的通透性[36]。因此，可以预见超材料单元在2.4GHz附近会有一个很强的吸收峰。而且在4-6GHz频段，我们可以知道S11的数值将会变得很大。这也就意味着导致大量反射的原因是共振。在8-18GHz的频段，由于远离共振频率，S11保持一个低于0.4的很低数值，这就表明反射率低于16%。
如果我们如图1(b)所示，将超材料与磁性吸波材料符合形成符合吸波器，我们可以预见这种吸波器在8-18GHz和2.4GHz周围频段具有强吸收性，而在4-6GHz频段吸收性较弱。为了验证这个结果，我们通过将图1中的超材料的S参数和图S1中的磁性吸波材料的数据带入公式(1)计算总的反射率R。当用对电磁波没有投射性的金属作为双层吸波器的背板的时候，在2-18GHz的吸收率可以通过公式A=1-R来计算。计算的结果在图2(a)中以蓝色的虚线显示，计算的结果与测试结果基本吻合。对比用非平面超材料和磁性吸波材料模拟的吸收率的结果[图S1.(b)的补充材料]，我们有理由认为双层材料对于2.4GHz的吸收峰来源于上层的超材料，而在8-18GHz频段的吸收性则归功于磁性吸波材料。正是由于超材料对于8-18GHz频段基友良好的透过率，才使得磁性吸波材料能够吸收该频段范围内的光。此外，因为顶层超材料对于4-6GHz频段具有很强的反射作用，导致整个材料在该频段范围内的吸收较弱。我们通过对全波段的模拟来检验材料的吸收性能，在图2.(a)以红色
图2.(a)双层复合材料模拟、计算和实测吸收率的结果.(b)实际制备的双层复合材料表征照片，实际尺寸为180mmtimes;180mm。
点画线的形式表示。模拟结果和计算结果吻合的相当好，这也就验证了公式(1)的正确性。两个数据间存在的偏差主要是因为在公式(1)中超材料被视作一种均匀的材料。
为了验证实测结果与模拟结果之间的偏差，我们接下来对这种双层的复合材料进行制备。首先按照质量比2.65:1的比例在环氧树脂上喷涂羰基铁粉末，并在60℃下塑性和固化的方法获得两块1mm(ts)厚、面积是180mmtimes;180mm的基板材料。在添加材料中的图S1向我们展示磁性吸波材料[29]的材料参数和吸波性能。然后，一层磁性吸波材料被金属铝箔夹在中间，接下才用光刻的手段在超材料上刻出我们需要的图案。最后，制作好的超材料通过立式方法粘和在另一层磁性吸波材料的表面来组成双层的复合吸波材料。制作好的吸波器在图2(b)中展示。对制备好的吸波材料进行的吸波性能测试是通过弓形法[37]在矢量网络分析仪(Agilent Techlolgies,N5230)上测试。结果如图2(a)所示，该复合吸波材料才2.4GHz有一个很强的吸收峰，此外在8-18GHz频段内也有90%以上的吸收率。所测的吸收率的结果与计算所得的结果具有良好的一致性，细微的偏差主要是由于磁性吸波材料厚度不均等原因。
以上研究证实了由传统磁性吸波材料和在低频具有完美吸收的超材料复合形成新材料是可行的。事实上，通过公式(1)我们可以知道用在新材料上面超材料的不必具备除了低频之外的完美吸收性能。接下来，我们通过这一原则来用基于超材料的开口谐振环来设计一种更为实用的吸波材料的结构。
图3(a)展示了这种材料的三维示意图和在X轴和Y轴方向的长度分别是20mm的超材料结构单元的示意图，这种超材料由开口谐振环直立在磁性吸波材料上构成。其在Z轴方向上有效厚度是9mm（上层超材料厚度是a=8mm，下层磁性吸波材料的厚度是1mm）。这个新的材料用和图1相同的厚度减为ts=0.5mm的磁性吸波材料，且仅有一边有开口谐振环。开口谐振环的尺寸：a1=7mm,g=w=0.8mm。
新的吸波超材料的S参
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