超寬頻微波吸收設計：接近“因果律極限”

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

電磁波不僅僅是資訊的傳遞者，也是能量的攜帶者。在這個通訊技術高度發達的時代，人類所處的環境裡，

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，更大的資訊容量也是一個主要的因素（例如：5G通訊技術）。

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，微波吸收在電磁遮蔽、抗電磁干擾、雷達隱身也具有至關重要的價值。

然而，由於微波的波長較長，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訊號）——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，如果採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——這正是微波暗室的牆體覆蓋的材料。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、同時兼備效能佳的吸波材料就是本工作著力解決的問題。由於材料的響應總是滯後於入射波（即“因”導致“果”），已有大量理論研究表明，

材料的吸收效能受到“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效能是對應的。

香港科技大學的

沈平

院士課題組致力於研發效能接近於“因果律極限”的超材料吸收器。在聲學系統裡，課題組透過設計最優的Fabry-Parot共振態分佈，實驗上實現了寬頻的阻抗匹配和並且逼近效能極限，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

（網址連結>>>）。

而對於電磁波系統，由於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裡的實驗報道實現這一效能極限。

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，並且同樣透過實驗證明了其吸收效能接近理論允許的極限。

圖源（圖2）：PNAS研究團隊首次發現，儘管

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。當其按週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。透過在環上引入可以調節的電阻，而後發現最優的電阻為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，透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”，即透過改變系統的幾何、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，透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，最後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%。並且，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，並且整體吸收效能接近理論極限（實際厚度14。2mm，極限厚度13。5mm）。

圖5：實驗測量的反射損失效能（a）大金屬環結構；（b）小金屬環結構；（c）最終的整合結構。曲線代表模擬結果，離散點代表實驗資料。（圖源：課題組提供）

總結來說，本工作有以下亮點：

1。 首次實驗測量吸收效能接近理論所允許的極限。

2。 發現一類此前未被充分探索的基本的共振吸收單元——帶電阻的金屬環。將作為“基石”為發展和設計更多樣的電磁波器件提供新的思路。

3。 提供一種有效拓寬吸收頻段的堆疊策略，利用自相似結構提供更多樣的模態，並且整合這些模態構造器件的寬頻行為。

論文資訊：

香港科技大學是本論文的唯一單位，論文的第一作者包含博士生屈思超、侯雨簫；沈平教授為論文的通訊作者。本研究工作得到了香港特別行政區大學資助委員會Research Impact Fund （RIF）的資助。論文的投稿型別是direct submission，並且已取得open access。

論文地址：

https：//www。pnas。org/content/118/36/e2110490118

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監製 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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