超材料復合吸波體的設計與研制

李希，魏文政，汪家輝

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，即通過人工微結構單元構成復合結構，實現自然材料所不能實現的特性或功能[1]。人工超材料具有天然材料所不具備的物理屬性，如負折射率、負介電常數、負磁導率等[2-3]。超材料的最大特點是通過結構的設計實現負介電常數與負磁導率[4-5]。將超材料運用到雷達吸波領域，構建超材料吸波體。該超材料吸波體是由超材料結構和介質基板組成的，其相較傳統吸波材料有很多性能突破，如在厚度較薄的條件下實現L、S等低頻強吸收；實現寬頻強吸收兼容、拓寬吸波頻段等[6-8]。

為了實現超材料吸波體“薄、輕、寬、強”的目標，目前對超材料的研究主要分為以下幾類：單層超材料吸波體、多層超材料吸波體、傳統吸波材料與超材料復合吸波體[9-10]。為實現單層超材料吸波體的寬帶強吸收，采取的途徑通常有兩類：一類是通過設計超材料單元圖案對電磁波多頻響應，實現多頻點強吸收；另一類是通過調控超材料的材料電磁參數，實現吸收峰位動態移動。但單層超材料吸波體并未實現實質上的寬頻強吸收，局限于在單頻點或多頻點實現完美吸收。

多層超材料吸波體，金字塔類是其典型代表，寬帶強吸收是通過按梯度多層疊加實現的[2,9]。為保證材料性能，單層方片的尺寸、厚度都有參數指標要求，因此在制作工藝上比較復雜，加工難度較大。

傳統吸波材料與超材料復合吸波體是結合兩者優勢設計的吸波體，能實現單一傳統吸波材料或超材料無法達到的性能，在目前看來是超材料運用最有前景的研究方向[9]。本文的設計思路也是結合超材料與傳統吸波材料，通過設計不同超材料單元圖案、不同電磁參數的介質基體、不同的導電炭黑濃度，總結出能實現復合吸波體寬頻強吸收的規律。

1 實驗

1.1 主要原材料

FR-4玻璃鋼，上海同希橡塑公司生產；PVC泡沫板，航天一院15所提供；聚氨酯吸波泡沫，型號C6，西南技術工程研究所生產；水性粘合劑 3211，浙江傳化股份有限公司生產；導電碳黑；增稠劑2130；絲網，80目，重慶匯新絲印生產。

1.2 制備工藝流程

超材料吸波體制備流程：超材料諧振單元與排列方式設計→制作絲網→配料→絲網印制→干燥。

復合吸波體制備流程：超材料吸波體與傳統吸波材料粘結→干燥。

1.3 諧振單元與排列方式設計

共設計了4類8種超材料諧振單元，4類諧振單元分別為：六邊形類、開口田子格類、開口嵌套六邊形類、正方形嵌圓類。每類圖案通過設計不同的圖案樣式或調整尺寸大小又各包含2種，共設計8種諧振單元圖案，見圖1—5。

六邊形類超材料圖案結構參數為：邊長 10 mm/25 mm，線寬4 mm/10 mm，單元圖案之間間隔2 mm。圖案設計及排列方式見圖1，將圖1a記為1#，圖1b記為2#。

圖2 開口田字格類圖案Fig.2 Opening field-character shape type pattern: a) 3#, b) 4#, c) the arrangement of opening field-character shape

開口田字格類超材料圖案結構參數為：邊長13.5 mm/27 mm，中間豎邊線寬2 mm/4 mm，其余線寬均為1.5 mm/3 mm，開口處間隔1.5 mm/2.4 mm，單元尺寸15 mm×15 mm/30 mm×30 mm，單元圖案之間按90°旋轉排列，具體見圖2。將圖2a記為3#，圖2b記為4#。

設計兩層嵌套開口六邊形。外層六邊形邊長6.5 mm，內層六邊形邊長4 mm，線寬1 mm，開口間距1.5 mm，單元圖案尺寸15 mm×15 mm，單元圖案之間按90°旋轉排列，見圖3。將圖3a記為5#。

圖3 兩層嵌套開口六邊形類圖案Fig.3 Two-layer nested opening hexagon type pattern: a) 5#,b) the arrangement of two-layer nested opening hexagon

設計三層嵌套開口六邊形。外層六邊形邊長14 mm，中層六邊形邊長 10 mm，內層六邊形邊長6 mm，外兩層線寬2 mm，內層線寬1.5 mm，開口間距1.5 mm，單元圖案尺寸30 mm×30 mm，單元圖案之間按90°旋轉排列，如圖4所示。將圖4a記為6#。

圖4 三層嵌套開口六邊形類圖案Fig.4 Three-layer nested opening hexagon type pattern: a)6#, b) the arrangement of three-layer nested opening hexagon

設計正方形邊長23 mm/28 mm，內圓半徑7.5 mm/9 mm，單元圖案尺寸24.5×24.5 mm/30×30 mm，圖案設計及排列方式見圖5。將圖5a記為 7#，圖5b記為8#。

圖5 正方形嵌圓類圖案Fig.5 Square nested round type pattern: a) 7#, b) 8#, c) the arrangement of square nested round

1.4 復合吸波體的制備

將設計的超材料圖案印制成300 mm×300 mm的絲網。配置不同導電碳黑含量梯度的涂料，稱量水性粘合劑 3211、導電碳黑、增稠劑 2130，導電碳黑與水性粘合劑百分比例分別為15%、30%、60%、80%。選取厚度為0.5 mm的FR-4（εr=3.8）、厚度為2.8 mm的PVC泡沫（εr=1.3）作為介質基，其尺寸為300 mm×300 mm。將 4種不同配比的涂料分別用絲網模板印制在介質基板上，印制圖案厚度為 0.1 mm。將超材料吸波體與傳統吸波材料相粘結，傳統吸波材料采用自制的聚氨酯吸波泡沫，厚度為10 mm，尺寸與超材料吸波體保持一致，為300 mm×300 mm，復合吸波體結構見圖6和圖7。

1.5 性能測試

復合吸波體的反射率性能測試采用弓形法進行。矢量網絡分析儀是Agilent公司生產的E8363B，測試復合吸波體2～18 GHz范圍內垂直入射狀態下的吸收性能，天線入射角為3.5°，見圖8。

圖6 FR-4介質基板復合吸波體結構示意Fig.6 Structure diagrams of composite absorber with FR-4 dielectric substrate: a) exhibition front view, b) structure chart

圖7 PVC介質基板復合吸波體結構示意Fig.7 Structure diagrams of composite absorber with PVC dielectric substrate: a) exhibition front view, b) structure chart

圖8 弓形法測試設備Fig.8 Bow test equipment

2 結果與分析

2.1 相同配比、相同圖案、不同介質基體

2.1.1 六邊形類復合吸波體測試結果

將 1#、2#兩種尺寸六邊形圖案按絲網印刷工藝分別印制在PVC泡沫、FR-4兩種基材上，與傳統吸波材料粘結，制作出超材料復合吸波體，其雷達波反射率曲線見圖9。由圖9a可知，兩種基材上的吸波體反射率曲線上均出現了3個吸收峰值。介質基板為FR-4的復合吸波體的峰值分別為?20.41、?15.32、?30.48 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為33.88%；而介質基板為PVC的復合吸波體的峰值分別為?38.12、?17.44、?12.18 dB，反射率低于?15 dB 的帶寬為19.53%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體相比 PVC低頻、中頻峰值衰減減弱，而在高頻時吸波性能大幅增強，全頻范圍內反射率低于?15 dB的帶寬拓展了14.35%。

圖9b的吸波體均為多頻帶曲線，介質基板為FR-4的復合吸波體的峰值分別為?28.53、?18.17、?22.27 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為31.5%；而介質基板為 PVC的的復合吸波體的峰值分別為?34.32、?12.79、?10.47 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為4%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體低頻雷達波吸收弱于PVC基板，但在9.64 GHz后，其雷達波吸收能力大幅增強，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了27.5%。

圖9 六邊形類超材料復合吸波體雷達波反射率Fig.9 Radar reflectivity test curves of metamaterial composite absorbers with hexagon type

2.1.2 開口田字格類復合吸波體測試結果

將3#、4#開口田字格類超材料單元圖案，按90°旋轉排列、絲網印刷工藝印制在PVC泡沫、FR-4兩種介質基板上，與傳統吸波材料粘結，制作的超材料復合吸波體，雷達波反射率測試結果見圖10。由圖10a可知，兩種基材的小尺寸田字格復合吸波體的反射率曲線均出現了 3個吸收峰值，介質基板為 FR-4的復合吸波體峰值分別為?34.65、?19.14、?38.42 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為40%；而介質基板為PVC的峰值分別為?39.73、?13.72、?11.10 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為4%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體低頻雷達波吸收弱于PVC基板，但在9.48 GHz后，雷達波吸收能力大幅增強，中高頻低于?15 dB的帶寬拓寬36%。

圖10b為大尺寸開口田字格雷達波反射率測試曲線，兩種基材的吸波體反射率曲線均出現了3個吸收峰值。介質基板為FR-4的復合吸波體峰值分別為?31.69、?14.47、?26.69 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為 23.76%；而介質基板為 PVC的峰值分別為?42.01、?16.19、?11.57 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為17.65%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體低頻、中頻雷達波吸收弱于 PVC基板，但在13.6 GHz之后，雷達波吸收能力大幅增強，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了6.11%。

圖10 開口田子格類超材料復合吸波體雷達波反射率Fig.10 Radar reflectivity test curves of metamaterial composite absorbers with opening field-character shape type

2.1.3 開口嵌套六邊形類復合吸波體測試結果

將設計的 5#、6#開口嵌套六邊形類超材料，采用絲網印刷工藝印制在PVC泡沫、FR-4兩種介質基板上，與傳統吸波材料粘結，制作的超材料復合吸波體的雷達波反射率測試曲線見圖11。由圖11a可知，兩層嵌套開口六邊形吸波體的雷達波反射率曲線均為多頻帶曲線。介質基板為FR-4的復合吸波體反射率曲線選取 3個峰值分別為?31.44、?15.79、?40.49 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為32%；而介質基板為PVC的峰值分別為?27.75、?13.09、?12.98 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為3.5%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體雷達波吸波均優于PVC基板，但全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了28.5%。

圖11b三層嵌套開口六邊形環超材料，吸波體雷達波反射率曲線均為多頻帶曲線。介質基板為 FR-4的復合吸波體反射率曲線選取三個峰值分別為?30.28、?14.55、?25.43 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為24%；而介質基板為PVC的峰值分別為?24.27、?15.46、?15.22 dB，反射率低于?15 dB 的帶寬為15.5%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體雷達波吸波僅在中頻段吸波性能低于PVC，其余頻段均表現出更強的發射衰減，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了8.5%。

圖11 開口嵌套六邊形類超材料復合吸波體雷達波反射率Fig.11 Radar reflectivity test curves of metamaterial composite absorbers with nested opening hexagon type

2.1.4 正方形嵌圓類復合吸波體測試結果

7#、8#方塊嵌圓類諧振單元，采用絲網印刷工藝印制在PVC泡沫、FR-4兩種介質基板上，與傳統吸波材料粘結，制作的超材料復合吸波體的雷達波反射率測試曲線見圖12。大尺寸的方塊嵌圓吸波體雷達波反射率曲線見圖12a，其均為多頻帶曲線。介質基板為FR-4的復合吸波體反射率曲線選取3個峰值分別為?25.46、?14.77、?26.12 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為 26%；而介質基板為 PVC的峰值分別為?34.16、?17.80、?11.24 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為21%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體低頻、中頻雷達波吸收弱于 PVC基板，但在13.24 GHz之后，雷達波吸收能力大幅增強，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了5%。

圖12b小尺寸吸波體雷達波反射率曲線均為多頻帶曲線。介質基板為FR-4的復合吸波體反射率曲線選取3個峰值分別為?27.98、?15.20、?29.29 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為34%；而介質基板為PVC的峰值分別為?44.80、?16.24、?10.44 dB，反射率低于?15 dB的帶寬為18%。在2～18 GHz頻率范圍內，FR-4復合吸波體低頻、中頻雷達波吸收弱于PVC基板，但在11.84 GHz之后，雷達波吸收能力大幅增強，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了16%。

圖12 方塊嵌圓類復合吸波體雷達反射率Fig.12 Radar reflectivity test curves of composite absorbers with square nested round type

2.1.5 結果分析

除介質基板外，2.1小節中每類超材料復合吸波體均保持了其余條件參數一致。梳理每組測試結果，可得出一些共性：首先在6 GHz附近低頻均出現了吸收峰值；其次基于 FR-4介質基板的復合吸波體 14～17 GHz高頻頻段吸波性能均大幅優于PVC泡沫介質基板的，合格頻段拓寬。兩種介質基板的復合吸波體，區別在于介質基板的介電常數與厚度，FR-4（εr=3.8）厚度為0.5 mm、PVC泡沫（εr=1）厚度為2.8 mm。

使用3種厚度相同、介電常數不同的FR-4材料（厚度為0.5 mm，介電常數εr分別為3.2、3.5、3.8，）制作相同諧振單元的復合吸波材料。從圖13a可見，隨著基板介電常數的增大，吸收頻帶在 14～17 GHz反射率高頻部分峰值逐漸減小，低頻基本不變。

圖13 雷達波反射率測試曲線對比圖Fig.13 Comparison charts of radar reflectivity test curves

使用4種不同厚度，介電常數εr均為3.8的FR-4材料（厚度t分別為1、1.5、2、2.5 mm）制作相同諧振單元的復合吸波材料，從圖13b可見，隨著基板厚度的逐漸增大，吸收頻帶的8～18 GHz中高頻部分衰減逐漸減小，低頻部分變化不大；并且隨著厚度增加，峰值向低頻移動。

單獨將傳統吸波材料進行雷達波反射率測試，見圖14。在6.44 GHz出現了?28.489 dB的吸收峰值，其余頻段反射率均高于?12 dB，曲線為窄帶強吸收。復合超材料均在6 GHz附近出現了相同的強吸收峰，而中高頻反射率均大幅好于傳統吸波材料。說明復合吸波體對雷達波的損耗機理來源于介質損耗與歐姆損耗，傳統吸波材料貢獻在低頻的窄帶介質損耗，超材料吸波體在中、高頻貢獻了很大的歐姆損耗。

2.2 相同配比、相同介質基體、不同諧振單元

將在FR-4介質基體上制作的8種諧振單元的復合吸波體，進行雷達波反射率曲線對比，見圖15，選取低、中、高頻峰值及合格帶寬，見表1。制作的4類共8種復合吸波體，保持了相同的材料結構、傳統吸波材料與介質基板相同的電磁參數及厚度等，其在吸波性能上的差別源于超材料諧振單元圖案及其排列方式的不同。綜合衰減強度與合格帶寬，5#與3#諧振單元復合吸波體，在2～18 GHz具有更突出的吸波性能。5#與 3#復合吸波體所設計的諧振單元尺寸、開口方向及大小、單元間的排列方式，使超材料結構與金屬背板之間形成的電容電感電阻達到某一最佳值，因此電路諧振最強，吸收帶寬最大。

圖14 傳統雷達吸波材料雷達波反射率測試Fig.14 Radar reflectivity test curves of traditional radar absorbing materials

圖15 不同諧振單元復合吸波體測試曲線Fig.15 Test curves of composite absorbers with different resonance units

表1 復合吸波體反射率測試結果表Tab.1 Test results of reflectivity of composite absorbers

2.3 相同圖案、相同介質基體、不同涂料配比

分別配置含導電碳黑和樹脂不同含量的涂料（導電碳黑的質量分數分別為15%、30%、60%、80%），選用3#與5#圖案印制在FR-4介質基體上，各制作4種不同涂料配方的復合吸波體。從圖16可見，4組不同配比的 5#、3#諧振單元復合吸波體，雷達波反射率曲線均為多頻帶曲線，表2選取了反射率曲線中低、中、高頻三個吸波峰值及雷達波衰減低于?20 dB的帶寬。

圖16 不同導電碳黑含量反射率測試Fig.16 Reflectivity test curves of different contents of conductive carbon black

隨著涂料配方中導電碳黑含量的增加，6 GHz附近低頻吸收峰值有所下降，復合吸波體在低頻對雷達波的衰減能力有所下降；但在高頻14～17 GHz頻段，隨著導電碳黑含量增加，峰值向低頻移動并且吸收峰值增加，材料對雷達波的吸收能力增強；但在碳黑含量增加到60%以上后，吸收性能已沒有明顯變化，并且帶寬有所下降。

該吸波體對于電磁波的吸收主要源于諧振單元的表面電阻。測試諧振單元的表面電阻值，15%的導電炭黑含量的諧振單元表面電阻值為3000 ?/sq，30%的為 300 ?/sq，60%的為 100 ?/sq，80%的為 50 ?/sq。可見復合吸波體有最佳方阻區間，在達到最佳方阻值時，電路諧振達到最強，吸波峰值與帶寬達到最大。

表2 復合吸波體反射率測試結果表Tab.2 Test results of reflectivity of composite absorbers

3 結論

1）超材料復合吸波體比傳統吸波材料，在11～17 GHz頻段雷達波反射率降低了?5～?30 dB。

2）復合超材料吸波體對電磁波的損耗來源于傳統材料的介質損耗與超材料吸波體的歐姆損耗，并且能將兩種損耗在不同頻段進行融合。

3）介質基板的介電常數與厚度會影響材料吸波性能，介電常數增加，厚度降低，14～17 GHz吸收性能增強。超材料結構與金屬背板之間形成的電容電感電阻達到某一最佳值，電路諧振最強，吸收帶寬最大。導電碳黑含量有最佳區間，表面電阻達到最佳匹配值，吸波性能最強。