用于广角和宽带微波吸收的 3D 打印螺旋桨状超材料

供稿人：张童童 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

超材料是由亚波长单元构成的人工结构，其具有奇特的电磁特性和自然界中材料所不具备的功能。电磁波吸收超材料，尤其是宽带和广角吸收体，在民用和军事领域都具有重要的价值。迄今为止，大多数吸波超材料都是基于传统的等效电路理论和有效介质理论进行设计和优化的。然而，这些方法通常适用于电磁波正常入射在超表面吸收器上的情况。考虑到在3D结构亚波长结构复杂的电磁场分布和空间各向异性，上述方法在大角度斜入射下的适用性大大降低。

南京大学的Ruiyang Tan 提出并展示了一种基于天线互易理论的 3D 打印螺旋桨式吸波超材料。天线互易理论是指当天线以优化后的源阻抗端接作为负载进行信号接收时，将具有与其自身辐射模式相对应的吸收性能。使用熔融沉积建模 (FDM) 3D 打印技术从自制的炭黑 (CB) 填充聚丙烯 (PP) 复合线材中制造了吸波超材料样品，如图1所示。

图1 螺旋桨式吸波超材料的制备过程

其使用了典型的磁电偶天线，设计了一个类似螺旋桨的结构单元，如图2 所示。电流为J的顶部金属叶片相当于一个电偶极子，等效磁化强度为M的垂直金属轴相当于磁偶极子。电偶极子在电场平面上具有8字形辐射图案，在磁场平面上具有O形图案，而磁偶极子具有相反的特性。如果它们以适当的幅度和相位同时组合和激发，则可以通过互补实现全向辐射，通过天线互易理论说明，其也可以达到宽带吸波。整个结构具有四重旋转对称性以削弱极化灵敏度。

图 2 类螺旋桨吸波结构原理 （a）类螺旋桨结构的模态含义（b）和不同模式的辐射方向图、电场分布和电流分布（c-e）

如图3所示，反射率曲线与模拟结果很接近。螺旋桨式吸波超材料可以实现3.5 GHz至11.2 GHz法向入射电磁波90%以上的有效吸收，带宽略宽于仿真结果。并且证明了基于磁电偶天线设计的吸波超材料对TE和TM偏振具有良好的广角和宽带吸收性能。

图3 样品和反射率测量系统 (a)测量和模拟反射率的比较 (b)测量的吸波材料在不同入射角下对 TE 偏振 (c) 和 TM 偏振 (d) 的吸收性能

参考文献：
Ruiyang, T. et al. 3D printed propeller-like metamaterial for wide-angle and broadband microwave absorption. Journal of Materials Science & Technology. 2023;45.