超材料复合吸波体的设计与研制

2020-09-11李希魏文政汪家辉

装备环境工程 2020年8期

李希，魏文政，汪家辉

（西南技术工程研究所，重庆 400039）

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，即通过人工微结构单元构成复合结构，实现自然材料所不能实现的特性或功能[1]。人工超材料具有天然材料所不具备的物理属性，如负折射率、负介电常数、负磁导率等[2-3]。超材料的最大特点是通过结构的设计实现负介电常数与负磁导率[4-5]。将超材料运用到雷达吸波领域，构建超材料吸波体。该超材料吸波体是由超材料结构和介质基板组成的，其相较传统吸波材料有很多性能突破，如在厚度较薄的条件下实现L、S等低频强吸收；实现宽频强吸收兼容、拓宽吸波频段等[6-8]。

为了实现超材料吸波体“薄、轻、宽、强”的目标，目前对超材料的研究主要分为以下几类：单层超材料吸波体、多层超材料吸波体、传统吸波材料与超材料复合吸波体[9-10]。为实现单层超材料吸波体的宽带强吸收，采取的途径通常有两类：一类是通过设计超材料单元图案对电磁波多频响应，实现多频点强吸收；另一类是通过调控超材料的材料电磁参数，实现吸收峰位动态移动。但单层超材料吸波体并未实现实质上的宽频强吸收，局限于在单频点或多频点实现完美吸收。

多层超材料吸波体，金字塔类是其典型代表，宽带强吸收是通过按梯度多层叠加实现的[2,9]。为保证材料性能，单层方片的尺寸、厚度都有参数指标要求，因此在制作工艺上比较复杂，加工难度较大。

传统吸波材料与超材料复合吸波体是结合两者优势设计的吸波体，能实现单一传统吸波材料或超材料无法达到的性能，在目前看来是超材料运用最有前景的研究方向[9]。本文的设计思路也是结合超材料与传统吸波材料，通过设计不同超材料单元图案、不同电磁参数的介质基体、不同的导电炭黑浓度，总结出能实现复合吸波体宽频强吸收的规律。

1 实验

1.1 主要原材料

FR-4玻璃钢，上海同希橡塑公司生产；PVC泡沫板，航天一院15所提供；聚氨酯吸波泡沫，型号C6，西南技术工程研究所生产；水性粘合剂 3211，浙江传化股份有限公司生产；导电碳黑；增稠剂2130；丝网，80目，重庆汇新丝印生产。

1.2 制备工艺流程

超材料吸波体制备流程：超材料谐振单元与排列方式设计→制作丝网→配料→丝网印制→干燥。

复合吸波体制备流程：超材料吸波体与传统吸波材料粘结→干燥。

1.3 谐振单元与排列方式设计

共设计了4类8种超材料谐振单元，4类谐振单元分别为：六边形类、开口田子格类、开口嵌套六边形类、正方形嵌圆类。每类图案通过设计不同的图案样式或调整尺寸大小又各包含2种，共设计8种谐振单元图案，见图1—5。

六边形类超材料图案结构参数为：边长 10 mm/25 mm，线宽4 mm/10 mm，单元图案之间间隔2 mm。图案设计及排列方式见图1，将图1a记为1#，图1b记为2#。

图2 开口田字格类图案Fig.2 Opening field-character shape type pattern: a) 3#, b) 4#, c) the arrangement of opening field-character shape

开口田字格类超材料图案结构参数为：边长13.5 mm/27 mm，中间竖边线宽2 mm/4 mm，其余线宽均为1.5 mm/3 mm，开口处间隔1.5 mm/2.4 mm，单元尺寸15 mm×15 mm/30 mm×30 mm，单元图案之间按90°旋转排列，具体见图2。将图2a记为3#，图2b记为4#。

设计两层嵌套开口六边形。外层六边形边长6.5 mm，内层六边形边长4 mm，线宽1 mm，开口间距1.5 mm，单元图案尺寸15 mm×15 mm，单元图案之间按90°旋转排列，见图3。将图3a记为5#。

图3 两层嵌套开口六边形类图案Fig.3 Two-layer nested opening hexagon type pattern: a) 5#,b) the arrangement of two-layer nested opening hexagon

设计三层嵌套开口六边形。外层六边形边长14 mm，中层六边形边长 10 mm，内层六边形边长6 mm，外两层线宽2 mm，内层线宽1.5 mm，开口间距1.5 mm，单元图案尺寸30 mm×30 mm，单元图案之间按90°旋转排列，如图4所示。将图4a记为6#。

图4 三层嵌套开口六边形类图案Fig.4 Three-layer nested opening hexagon type pattern: a)6#, b) the arrangement of three-layer nested opening hexagon

设计正方形边长23 mm/28 mm，内圆半径7.5 mm/9 mm，单元图案尺寸24.5×24.5 mm/30×30 mm，图案设计及排列方式见图5。将图5a记为 7#，图5b记为8#。

图5 正方形嵌圆类图案Fig.5 Square nested round type pattern: a) 7#, b) 8#, c) the arrangement of square nested round

1.4 复合吸波体的制备

将设计的超材料图案印制成300 mm×300 mm的丝网。配置不同导电碳黑含量梯度的涂料，称量水性粘合剂 3211、导电碳黑、增稠剂 2130，导电碳黑与水性粘合剂百分比例分别为15%、30%、60%、80%。选取厚度为0.5 mm的FR-4（εr=3.8）、厚度为2.8 mm的PVC泡沫（εr=1.3）作为介质基，其尺寸为300 mm×300 mm。将 4种不同配比的涂料分别用丝网模板印制在介质基板上，印制图案厚度为 0.1 mm。将超材料吸波体与传统吸波材料相粘结，传统吸波材料采用自制的聚氨酯吸波泡沫，厚度为10 mm，尺寸与超材料吸波体保持一致，为300 mm×300 mm，复合吸波体结构见图6和图7。

1.5 性能测试

复合吸波体的反射率性能测试采用弓形法进行。矢量网络分析仪是Agilent公司生产的E8363B，测试复合吸波体2～18 GHz范围内垂直入射状态下的吸收性能，天线入射角为3.5°，见图8。

图6 FR-4介质基板复合吸波体结构示意Fig.6 Structure diagrams of composite absorber with FR-4 dielectric substrate: a) exhibition front view, b) structure chart

图7 PVC介质基板复合吸波体结构示意Fig.7 Structure diagrams of composite absorber with PVC dielectric substrate: a) exhibition front view, b) structure chart

图8 弓形法测试设备Fig.8 Bow test equipment

2 结果与分析

2.1 相同配比、相同图案、不同介质基体

2.1.1 六边形类复合吸波体测试结果

将 1#、2#两种尺寸六边形图案按丝网印刷工艺分别印制在PVC泡沫、FR-4两种基材上，与传统吸波材料粘结，制作出超材料复合吸波体，其雷达波反射率曲线见图9。由图9a可知，两种基材上的吸波体反射率曲线上均出现了3个吸收峰值。介质基板为FR-4的复合吸波体的峰值分别为−20.41、−15.32、−30.48 dB，反射率低于−15 dB的带宽为33.88%；而介质基板为PVC的复合吸波体的峰值分别为−38.12、−17.44、−12.18 dB，反射率低于−15 dB 的带宽为19.53%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体相比 PVC低频、中频峰值衰减减弱，而在高频时吸波性能大幅增强，全频范围内反射率低于−15 dB的带宽拓展了14.35%。

图9b的吸波体均为多频带曲线，介质基板为FR-4的复合吸波体的峰值分别为−28.53、−18.17、−22.27 dB，反射率低于−15 dB的带宽为31.5%；而介质基板为 PVC的的复合吸波体的峰值分别为−34.32、−12.79、−10.47 dB，反射率低于−15 dB的带宽为4%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体低频雷达波吸收弱于PVC基板，但在9.64 GHz后，其雷达波吸收能力大幅增强，全频段低于−15 dB的带宽拓宽了27.5%。

图9 六边形类超材料复合吸波体雷达波反射率Fig.9 Radar reflectivity test curves of metamaterial composite absorbers with hexagon type

2.1.2 开口田字格类复合吸波体测试结果

将3#、4#开口田字格类超材料单元图案，按90°旋转排列、丝网印刷工艺印制在PVC泡沫、FR-4两种介质基板上，与传统吸波材料粘结，制作的超材料复合吸波体，雷达波反射率测试结果见图10。由图10a可知，两种基材的小尺寸田字格复合吸波体的反射率曲线均出现了 3个吸收峰值，介质基板为 FR-4的复合吸波体峰值分别为−34.65、−19.14、−38.42 dB，反射率低于−15 dB的带宽为40%；而介质基板为PVC的峰值分别为−39.73、−13.72、−11.10 dB，反射率低于−15 dB的带宽为4%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体低频雷达波吸收弱于PVC基板，但在9.48 GHz后，雷达波吸收能力大幅增强，中高频低于−15 dB的带宽拓宽36%。

图10b为大尺寸开口田字格雷达波反射率测试曲线，两种基材的吸波体反射率曲线均出现了3个吸收峰值。介质基板为FR-4的复合吸波体峰值分别为−31.69、−14.47、−26.69 dB，反射率低于−15 dB的带宽为 23.76%；而介质基板为 PVC的峰值分别为−42.01、−16.19、−11.57 dB，反射率低于−15 dB的带宽为17.65%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体低频、中频雷达波吸收弱于 PVC基板，但在13.6 GHz之后，雷达波吸收能力大幅增强，全频段低于−15 dB的带宽拓宽了6.11%。

图10 开口田子格类超材料复合吸波体雷达波反射率Fig.10 Radar reflectivity test curves of metamaterial composite absorbers with opening field-character shape type

2.1.3 开口嵌套六边形类复合吸波体测试结果

将设计的 5#、6#开口嵌套六边形类超材料，采用丝网印刷工艺印制在PVC泡沫、FR-4两种介质基板上，与传统吸波材料粘结，制作的超材料复合吸波体的雷达波反射率测试曲线见图11。由图11a可知，两层嵌套开口六边形吸波体的雷达波反射率曲线均为多频带曲线。介质基板为FR-4的复合吸波体反射率曲线选取 3个峰值分别为−31.44、−15.79、−40.49 dB，反射率低于−15 dB的带宽为32%；而介质基板为PVC的峰值分别为−27.75、−13.09、−12.98 dB，反射率低于−15 dB的带宽为3.5%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体雷达波吸波均优于PVC基板，但全频段低于−15 dB的带宽拓宽了28.5%。

图11b三层嵌套开口六边形环超材料，吸波体雷达波反射率曲线均为多频带曲线。介质基板为 FR-4的复合吸波体反射率曲线选取三个峰值分别为−30.28、−14.55、−25.43 dB，反射率低于−15 dB的带宽为24%；而介质基板为PVC的峰值分别为−24.27、−15.46、−15.22 dB，反射率低于−15 dB 的带宽为15.5%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体雷达波吸波仅在中频段吸波性能低于PVC，其余频段均表现出更强的发射衰减，全频段低于−15 dB的带宽拓宽了8.5%。

图11 开口嵌套六边形类超材料复合吸波体雷达波反射率Fig.11 Radar reflectivity test curves of metamaterial composite absorbers with nested opening hexagon type

2.1.4 正方形嵌圆类复合吸波体测试结果

7#、8#方块嵌圆类谐振单元，采用丝网印刷工艺印制在PVC泡沫、FR-4两种介质基板上，与传统吸波材料粘结，制作的超材料复合吸波体的雷达波反射率测试曲线见图12。大尺寸的方块嵌圆吸波体雷达波反射率曲线见图12a，其均为多频带曲线。介质基板为FR-4的复合吸波体反射率曲线选取3个峰值分别为−25.46、−14.77、−26.12 dB，反射率低于−15 dB的带宽为 26%；而介质基板为 PVC的峰值分别为−34.16、−17.80、−11.24 dB，反射率低于−15 dB的带宽为21%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体低频、中频雷达波吸收弱于 PVC基板，但在13.24 GHz之后，雷达波吸收能力大幅增强，全频段低于−15 dB的带宽拓宽了5%。

图12b小尺寸吸波体雷达波反射率曲线均为多频带曲线。介质基板为FR-4的复合吸波体反射率曲线选取3个峰值分别为−27.98、−15.20、−29.29 dB，反射率低于−15 dB的带宽为34%；而介质基板为PVC的峰值分别为−44.80、−16.24、−10.44 dB，反射率低于−15 dB的带宽为18%。在2～18 GHz频率范围内，FR-4复合吸波体低频、中频雷达波吸收弱于PVC基板，但在11.84 GHz之后，雷达波吸收能力大幅增强，全频段低于−15 dB的带宽拓宽了16%。

图12 方块嵌圆类复合吸波体雷达反射率Fig.12 Radar reflectivity test curves of composite absorbers with square nested round type

2.1.5 结果分析

除介质基板外，2.1小节中每类超材料复合吸波体均保持了其余条件参数一致。梳理每组测试结果，可得出一些共性：首先在6 GHz附近低频均出现了吸收峰值；其次基于 FR-4介质基板的复合吸波体 14～17 GHz高频频段吸波性能均大幅优于PVC泡沫介质基板的，合格频段拓宽。两种介质基板的复合吸波体，区别在于介质基板的介电常数与厚度，FR-4（εr=3.8）厚度为0.5 mm、PVC泡沫（εr=1）厚度为2.8 mm。

使用3种厚度相同、介电常数不同的FR-4材料（厚度为0.5 mm，介电常数εr分别为3.2、3.5、3.8，）制作相同谐振单元的复合吸波材料。从图13a可见，随着基板介电常数的增大，吸收频带在 14～17 GHz反射率高频部分峰值逐渐减小，低频基本不变。

图13 雷达波反射率测试曲线对比图Fig.13 Comparison charts of radar reflectivity test curves

使用4种不同厚度，介电常数εr均为3.8的FR-4材料（厚度t分别为1、1.5、2、2.5 mm）制作相同谐振单元的复合吸波材料，从图13b可见，随着基板厚度的逐渐增大，吸收频带的8～18 GHz中高频部分衰减逐渐减小，低频部分变化不大；并且随着厚度增加，峰值向低频移动。

单独将传统吸波材料进行雷达波反射率测试，见图14。在6.44 GHz出现了−28.489 dB的吸收峰值，其余频段反射率均高于−12 dB，曲线为窄带强吸收。复合超材料均在6 GHz附近出现了相同的强吸收峰，而中高频反射率均大幅好于传统吸波材料。说明复合吸波体对雷达波的损耗机理来源于介质损耗与欧姆损耗，传统吸波材料贡献在低频的窄带介质损耗，超材料吸波体在中、高频贡献了很大的欧姆损耗。

2.2 相同配比、相同介质基体、不同谐振单元

将在FR-4介质基体上制作的8种谐振单元的复合吸波体，进行雷达波反射率曲线对比，见图15，选取低、中、高频峰值及合格带宽，见表1。制作的4类共8种复合吸波体，保持了相同的材料结构、传统吸波材料与介质基板相同的电磁参数及厚度等，其在吸波性能上的差别源于超材料谐振单元图案及其排列方式的不同。综合衰减强度与合格带宽，5#与3#谐振单元复合吸波体，在2～18 GHz具有更突出的吸波性能。5#与 3#复合吸波体所设计的谐振单元尺寸、开口方向及大小、单元间的排列方式，使超材料结构与金属背板之间形成的电容电感电阻达到某一最佳值，因此电路谐振最强，吸收带宽最大。

图14 传统雷达吸波材料雷达波反射率测试Fig.14 Radar reflectivity test curves of traditional radar absorbing materials

图15 不同谐振单元复合吸波体测试曲线Fig.15 Test curves of composite absorbers with different resonance units

表1 复合吸波体反射率测试结果表Tab.1 Test results of reflectivity of composite absorbers

2.3 相同图案、相同介质基体、不同涂料配比

分别配置含导电碳黑和树脂不同含量的涂料（导电碳黑的质量分数分别为15%、30%、60%、80%），选用3#与5#图案印制在FR-4介质基体上，各制作4种不同涂料配方的复合吸波体。从图16可见，4组不同配比的 5#、3#谐振单元复合吸波体，雷达波反射率曲线均为多频带曲线，表2选取了反射率曲线中低、中、高频三个吸波峰值及雷达波衰减低于−20 dB的带宽。

图16 不同导电碳黑含量反射率测试Fig.16 Reflectivity test curves of different contents of conductive carbon black

随着涂料配方中导电碳黑含量的增加，6 GHz附近低频吸收峰值有所下降，复合吸波体在低频对雷达波的衰减能力有所下降；但在高频14～17 GHz频段，随着导电碳黑含量增加，峰值向低频移动并且吸收峰值增加，材料对雷达波的吸收能力增强；但在碳黑含量增加到60%以上后，吸收性能已没有明显变化，并且带宽有所下降。

该吸波体对于电磁波的吸收主要源于谐振单元的表面电阻。测试谐振单元的表面电阻值，15%的导电炭黑含量的谐振单元表面电阻值为3000 Ω/sq，30%的为 300 Ω/sq，60%的为 100 Ω/sq，80%的为 50 Ω/sq。可见复合吸波体有最佳方阻区间，在达到最佳方阻值时，电路谐振达到最强，吸波峰值与带宽达到最大。