基于磁流变弹性体的超材料吸波器设计与研究

杨芾藜 ,郑 可

(1.国网重庆市电力公司,重庆 400015;2.国网重庆市电力公司营销服务中心,重庆 401123)

随着现代微波技术及电子设备的快速发展,电磁波已在通信、军事以及航空航天等诸多领域获得了广泛应用,由此带来的电磁污染以及多天线干扰等问题也日益严重[1],产生的电磁辐射/污染对人体、电子设备等造成了巨大的危害。因此,众多学者开展了对电磁吸波材料的研究[2-3],然而,由于传统涂覆型吸波材料自身特性的限制,已经难以满足“薄、轻、强、宽”的要求。超材料是由人工复合结构或复合材料组成的一类结构型材料[4],具有诸如负折射率、逆多普勒效应等自然界材料所不具备的特性。在电磁吸波方面,通过对超材料结构单元的设计,可以将电磁波能量转换为其他形式的能量,实现对特定电磁波频段的吸收和耗散。自Landy 等[5]于2008 年首次提出了一种超材料完美吸波器之后,对于超材料的研究得到了学术界及工业界的广泛关注,其范围也逐渐扩展到左手材料[6-7]、频率选择表面[8-9]以及光子晶体[10-11]等领域,不同结构及应用领域的超材料电磁吸波器也不断涌现[12-14]。

作为一种磁性吸波颗粒,羰基铁粉具有较大的折射率以及对入射电磁波的压缩能力,同时也具有磁损耗和介电损耗两方面的耗散特性[15]。因此,利用羰基铁粉作为吸波颗粒可以使超材料吸波器具有较大的吸收带宽和相对较小的厚度。2018 年,Li 等[16]提出了一种基于片状羰基铁粉的交叉阵列超材料吸波器,并认为交叉结构的谐振电流可以激发局部电场和磁场的增强。测试结果表明,吸波器在1.44 GHz 处的最小反射损耗达到-12 dB。为了优化羰基铁粉层的阻抗匹配,2019 年,Chen 等[17]提出了一种采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)层和羰基铁粉层相堆叠的双层吸收体,其吸收率超过90%以上的带宽达到了13.6 GHz。2020 年,Zhang 等[18]设计了一种基于磁性材料且在低频区域具有宽带吸收的多层结构吸收体,实验表明,该吸波器在2.2～9.5 GHz 范围内具有宽带吸收的特性。同年,Duan 等[19]研制了一种基于磁性衬底的中心频率选择表面宽频带超材料吸收体,通过优化磁性基片,可使吸收器在2.5～17.2 GHz 频段范围内的反射损耗小于-10 dB。但上述研究均未考虑微观层面颗粒排布对吸波器性能的影响,使得吸波器的性能难以进一步有效提高。

磁流变弹性体(Magnetorheological Rlastomer,MRE)是一种磁控智能材料,主要由硅橡胶、铁磁性颗粒以及其他添加剂组成。基于其优异的磁控特性,磁流变弹性体往往作为减振降噪系统的核心部分[20-23],同时,在传感器领域也发挥着重要的作用[24]。在电磁吸波领域,通过磁场对材料内部颗粒排布的影响,改变磁流变弹性体的磁导率和介电常数,从而可提高吸波器对电磁波的吸收及耗散性能。Qiao等[25]通过对羰基铁粉/石蜡复合材料的研究发现,颗粒的定向排列会使材料具有高的磁导率和共振频率,并且突破了斯诺克极限的限制。西北工业大学的闵丹丹[26]对羰基铁粉/环氧树脂复合材料的研究表明,羰基铁粉的定向排列能降低吸波涂层的匹配厚度,扩宽吸波涂层的吸收带宽,在羰基铁粉含量为质量分数75%时,-10 dB 以下带宽可达12.5 GHz。然而,这些研究只是局限在磁场对颗粒排列的影响,并未将宏观结构与微观颗粒排布进行结合,使得材料的吸波特性未能获得进一步的提升。

基于上述研究,本文设计了基于磁流变弹性体的超材料吸波器,通过在预结构阶段施加不同的磁场阵列,从而制备两种具有不同周期结构单元的超材料吸波器,将宏观结构与微观颗粒排布进行结合,从而提升吸波器的电磁吸波特性。通过同轴法对吸波器的电磁参数进行测试,并利用仿真软件对材料的吸波特性及机理进行分析。最后,采用弓形法对实物进行测试。结果表明,设计制备的基于磁流变弹性体的超材料吸波器具有吸收率高、工作频带宽的特性。

1 超材料吸波器的制备及分析

制备超材料吸波器的主要材料为磁流变弹性体。其主要成分为硅橡胶和羰基铁粉,其制备通常分为前期的机械共混以及后期的硫化两个步骤。根据在硫化过程中是否施加磁场,可以将磁流变弹性体分为颗粒均匀分散的各向同性材料和颗粒沿磁感线分布的各向异性材料[14]。基于上述特性,在制备基于磁流变弹性体的超材料吸波器时,通过施加不同的磁场阵列即可形成不同的结构单元,将宏观结构与微观颗粒排列相结合,从而提高超材料吸波器的吸波及耗散性能。另外,为了反映羰基铁粉的含量对吸波特性的影响,制备了羰基铁粉质量分数分别为30%,40%及50%三种超材料吸波器。

采用同轴法对羰基铁粉在2～18 GHz 内的电磁参数进行测试。具体过程包括:将未固化的磁流变弹性体倒入特制同轴环模具中,制成外径7 mm、内径3.04 mm、厚度2.68 mm 的圆环样品。最后,将样品放入矢量网络分析仪(型号为Agilent N5234A)的同轴线中进行测试。另外,为了使超材料的吸波测试更接近真实情况,采用弓形法对样品的反射率进行测试,测试系统示意图如图1 所示。

图1 弓形法测试示意图Fig.1 The schematic diagram of arch measurement system

基于磁流变弹性体的超材料结构设计,就是将磁流变弹性体与超材料的结构设计结合起来,不同于“三明治”结构的超材料吸波器[27-28],所设计的超材料吸波器仅为单层结构。通过在硫化过程中施加不同的磁场阵列,使得磁流变弹性体内部的磁性颗粒沿磁感线方向有序排列,从而形成不同宏观/微观结构的超材料吸波器单元,示意图如图2 所示,故分别施加NN 型和N-S 型两种磁场阵列。对于N-N 型磁场阵列而言,由于相邻磁铁的磁感线呈交叉的趋势,因而在这样的磁场阵列下,超材料结构单元底部为圆形,中间为椭球型凸起的结构。而对于N-S 型磁场阵列而言,相邻磁铁之间的磁感线分布近似形成一条回路,因此,使得磁流变弹性体中的铁粉向两边移动,形成四周铁粉含量较高且凸起,中间铁粉含量较少且较平的超材料结构单元。具体结构参数已在图中标出,其中,N-N 型单元周期长度a=b=30 mm,h=4 mm。N-S 型单元周期长度a1=b1=30 mm,h1=4 mm,h2=2.2 mm。正是由于这两种不同的宏观结构单元以及吸波器内部磁性颗粒排列的微观结构的不同,从而影响超材料吸波器的吸波特性,进而导致不同的吸收效果。

图2 不同磁场阵列下,基于磁流变弹性体超材料吸波器结构单元成型示意图Fig.2 Schematic diagram of the metamaterial absorber unit cell based on MRE under different magnetic field arrays

2 吸波体的电磁参数测试及分析

对于吸波颗粒而言,其含量会对诸如复介电常数(εr)以及复磁导率(μr)等电磁参数产生影响。复介电常数和复磁导率的实部代表吸波器对电磁能的储存能力,而虚部则代表耗散电磁能的能力[29]。因此,首先考虑羰基铁粉含量与电磁参数之间的关系,为后续吸波器性能的研究打下基础。图3 为羰基铁粉质量分数从30%增加至50%时,电磁参数随频率的变化曲线。其中,图3(a)和(b)分别表示复介电常数的实部(ε′)和虚部(ε″)值在2～18 GHz 内的变化曲线,图3(c)和(d)分别为复磁导率的实部(μ′)和虚部(μ″)值在2～18 GHz 内的变化曲线。由图3 可知,整体上,随着羰基铁粉质量分数的增加,εr和μr呈现逐渐上升的趋势。当羰基铁粉的质量分数小于50%时,ε′的值波动较小,且在2～11.36 GHz 内基本保持不变,而在11.36～18 GHz 呈现出逐渐下降的趋势。以羰基铁粉质量分数40%为例,ε′的值在2～11.36 GHz 内保持在3.2 附近,随后在11.36～18 GHz 逐渐下降至2.8。ε″的值在2～18 GHz 内维持在0 附近波动,并且随着羰基铁粉质量分数的增加,呈现出先增大后减小的趋势。

图3 不同羰基铁粉质量分数吸波器的εr 和μrFig.3 Permittivity (εr) and permeability (μr) of absorbers with different mass fractions of carbonyl iron powder

同时,以羰基铁粉质量分数40%为例,在2～18 GHz 范围内,μ′的值呈现出先下降后上升的趋势,由2 GHz 的1.27 下降至1.12,后升至1.20。μ″的值则呈现出逐渐上升的趋势。另外,从图中还可看出,当羰基铁粉质量分数为50%时,复介电常数和复磁导率实部的抖动均远大于羰基铁粉质量分数为30%和40%的情况,这可归因于羰基铁粉含量过高,形成团聚的现象,产生连续的导电网络,进而影响电磁参数的稳定性。

由前述分析可知,羰基铁粉在磁场作用下所形成的结构对电磁参数有着重要的影响。因此,图4 给出了当羰基铁粉质量分数为40%时各向异性结构的εr和μr。由图4 可知,由于羰基铁粉颗粒的定向排列,使得各向异性结构的εr和μr明显高于各向同性结构的εr和μr。结合同轴线理论可知,吸波器的反射损耗可表示为[30]:

图4 各向异性结构的(a)εr 和(b)μrFig.4 (a) Complex εr and (b) μr of anisotropic structures

式中:Z0为真空环境下的阻抗,通常取Z0=377 Ω;Zin为输入阻抗,可进一步表示为:

式中:f为激励频率;d为吸波材料的厚度;c为真空中的光速。由式(1)和(2)可知,在其他条件一致的情况下,吸波器的反射损耗主要受到εr和μr的影响。

另外,从材料的吸收率分析,吸波器的吸收率可由式(3)表示:

式中:A为吸收率;R为反射率;T为透射率。由于在仿真以及实测过程中,吸波器底部均为金属基板。故可以认为T=0,式(3)可简化为A=1-R。

3 仿真及实测结果分析

基于上述分析可知,吸波器的性能不仅与微观结构有关,也与宏观结构有着密不可分的关系。图5 给出了基于磁流变弹性体的两种不同结构单元的超材料吸波器实物图。其中,图5(a)为预结构阶段受N-N 型磁场阵列所形成的N-N 型吸波器结构,图5(b)为预结构阶段受N-S 型磁场阵列形成的N-S 型吸波器结构。样品在硫化过程中,一方面,磁性颗粒会向磁感应强度较大的方向聚集,另一方面,磁性颗粒也会沿磁感线方向进行排列,因此在图5 中可以看到每个结构单元均有毛刺状的凸起。两种吸波器的性能则会因宏观结构单元和微观颗粒分布的不同而存在差异。

图5 基于磁流变弹性体的(a) N-N 型和(b) N-S 型超材料吸波器实物图Fig.5 Physical figures of (a) N-N type and(b) N-S type metamaterial absorber based on MRE

为了更好地分析两种超材料的吸波性能,采用有限元仿真软件COMSOL 对两种结构单元进行建模仿真分析,如图6 所示。其中,图6(a)和(b)分别为N-N 型和N-S 型结构单元的仿真模型图,单元尺寸如图所示。采用周期性边界条件模拟结构单元,输入和输出端口被定义在结构的上下表面,用于电磁波的入射和传输。图6(c)和(d)则分别给出了羰基铁粉质量分数为40%时,N-N 型及N-S 型结构单元仿真与实测的反射损耗对比。整体上,仿真结果与实验结果吻合较好。随着频率的增加,两者反射损耗的变化趋势基本一致,但从图6(d)中可以明显看到,当频率高于14 GHz 时,反射损耗的实测与仿真差别较大。这主要是仿真过程中建模的不准确以及在制备和测试过程中存在的误差所导致。另外,对比图6(c)和(d)可知,N-N 型结构吸波器的反射损耗与90%吸收率以上(即反射损耗小于-10 dB)的频带宽度大于N-S 型结构的吸波器。

图6 (a)N-N 型结构单元;(b)N-S 型结构单元;(c)N-N 型吸波器结构单元反射损耗的实测与仿真结果对比;(d)N-S 型吸波器结构单元反射损耗的实测与仿真结果对比Fig.6 (a) N-N type unit cell;(b) N-S type unit cell;(c) Comparison of measured and simulated reflection loss of N-N unit cell absorber;(d) Comparison of measured and simulated reflection loss of N-S unit cell absorber

对于制备的超材料吸波器而言,其对电磁波的损耗不仅有磁损耗,还有电阻损耗(如图3 和图4 所示)。因此,图7 和图8 分别给出了在谐振频率下,两种结构单元的吸波器在三个方向上的磁损耗和电阻损耗分布云图。图中的黑线表示结构的轮廓。图7(a)～(c)分别给出了N-N 型结构的吸波器在x、y和z方向上的磁损耗分布云图。从图中可以看到,磁损耗主要集中在吸波器的底部以及y轴方向。从仿真的角度分析,这主要是由于吸波器与金属基板发生响应所导致。从电磁场的发射和传输来看,由于磁场沿y轴方向传输,且羰基铁粉属于磁损耗型吸波材料,结合图2 可知,在制备过程中,底部的颗粒受到的磁场力要大于顶部。因此,底部颗粒的链状结构要优于顶部颗粒,从而促进电磁波在结构单元底部的耗散。因此,沿y轴方向边缘处的磁损耗要大于其他部分,且主要集中在结构的底部。

图7(d)～(f)给出了N-N 型结构的吸波器在10 GHz 处沿x、y、z方向上的电阻损耗分布云图。可以看到,与磁损耗不同,电阻损耗主要集中在结构的表面以及四周。由于羰基铁粉属于磁损耗型材料,故对电磁能的电阻损耗值远小于磁损耗值。从吸波器结构来看,由于存在趋肤效应,因此,电阻损耗主要集中在结构的表面。从电磁波的角度分析,由于电场与磁场呈正交分布,而羰基铁粉属于金属粉末,故其电阻损耗呈现出沿四周分布,且在y轴边缘处的电阻损耗大于其他部分。

图7 10 GHz 下,N-N 型结构的吸波器在(a) x 方向,(b) y 方向,(c) z 方向上的磁损耗分布云图以及(d) x 方向,(e) y 方向,(f) z 方向上电阻损耗分布云图Fig.7 Under 10 GHz,the nephogram of the magnetic loss distribution in (a) x direction,(b) y direction,(c) z direction and the resistance loss distribution in (d) x direction,(e) y direction,(f) z direction of N-N unit cell absorber

图8(a)～(c)为当频率达到11 GHz 时,N-S 型结构的吸波器在x、y、z三个方向上的磁损耗分布云图。与N-N 型结构的磁损耗不同,N-S 型结构的磁损耗呈现出明显的对称结构,且主要集中在结构的中间部分。这可归因于电磁波垂直入射时,相比于两侧凸起的部分,中间平坦处更容易使材料的底部与金属基板发生响应。另外,在实物制备过程中也可以发现,对于结构的边沿处而言,单位体积内羰基铁粉的质量分数大于40%,而较高羰基铁粉质量分数材料的电磁参数波动较大(如图3 所示),因此进入该部分的电磁波直接返回了自由空间,使得边沿处的吸波性能下降。

另外,图8(d)～(f)给出了N-S 型结构的吸波器沿x、y、z方向上电阻损耗的分布云图。可以看到,电阻损耗主要集中在吸波器的边沿处,且表面部分的电阻损耗明显高于底部。由前述分析可知,这主要是由于趋肤效应所导致。同时,从z方向看,电阻损耗主要沿y轴方向分布,这可归因于11 GHz 主要激发了该区域的电阻损耗。

图8 11 GHz 下,N-S 型结构的吸波器在(a)x 方向,(b)y 方向,(c)z 方向上的磁损耗分布云图以及(d)x 方向,(e)y 方向,(f)z 方向上电阻损耗分布云图Fig.8 Under 10 GHz,the nephogram of the magnetic loss distribution in (a) x direction,(b) y direction,(c) z direction andthe resistance loss distribution in (d) x direction,(e) y direction,(f) z direction of N-N unit cell absorber

结构单元的总功耗由电阻损耗和磁损耗组成,故图9 给出了N-N 型结构和H-S 型结构的吸波器的总功耗密度云图。由图可知,两种结构单元吸波器的总功耗密度云图与磁损耗云图相似,这可归因于羰基铁粉的磁损耗特性。从数值上看,N-N 型结构的总功耗值大于N-S 型结构的总功耗值。从而导致N-N 型结构的反射损耗值小于N-S 型结构的反射损耗值,即当羰基铁粉质量分数为40%时,N-N 型结构的吸波性能要优于N-S 型结构。

图9 (a)N-N 型吸波器和(b)N-S 型吸波器在最小反射损耗处的总功耗密度分布云图Fig.9 Cloud chart of total power density distribution at the minimum reflection loss of (a) N-N type absorber and (b) N-S type absorber

本研究进一步利用弓形法对含有不同羰基铁粉质量分数的N-N 型与N-S 型超材料吸波器的反射损耗进行了测试,如图10 所示。为了更好地反映吸波器的性能,在测试过程中加入了各向同性吸波器作为对比。整体上,各向同性吸波器的吸收性能要明显弱于各向异性吸波器。这一现象与前述实验结果相吻合,并可通过图4 的结论进行解释说明。对于各向异性吸波器而言,当羰基铁粉质量分数为30%和50%时,N-S 型结构吸波器在X 波段的吸波性能要明显优于N-N 型结构吸波器。

图10 (a) 羰基铁粉质量分数为30%,(b) 羰基铁粉质量分数为40%和(c) 羰基铁粉质量分数为50%时,超材料吸波器反射损耗对比图Fig.10 The reflection loss of metamaterial absorbers containing (a) the mass fraction of carbonyl iron powder is 30%,(b) the mass fraction of carbonyl iron powder is 40% and (c) the mass fraction of carbonyl iron powder is 50%

图11 给出了含有不同羰基铁粉质量分数的N-S型吸波器的吸波性能对比图。其中,图11(a)为反射损耗测试图,图11(b)为吸收率与反射率测试曲线。由图11(a)可知,随着羰基铁粉质量分数的增加,反射损耗呈现出先下降后上升的趋势,从-18.24 dB 下降至-24.15 dB,而后上升至-18.39 dB。结合图3 可知,当羰基铁粉质量分数小于40%时,材料吸收和耗散电磁能的能力与羰基铁粉质量分数呈正比关系。当羰基铁粉质量分数为50%时,材料的介电常数和磁导率均呈现出较大的抖动,导致材料的反射损耗升高,吸波性能下降。从图11(a)中还可看到,当羰基铁粉质量分数为40%时,反射损耗在15.92～18 GHz 之间出现了明显的下降趋势。这主要是由于材料的复磁导率在这个频段内出现了上升的趋势,使得材料吸收电磁波的能力上升,从而使得反射损耗再次减小。

另外,从图11(b)来看,材料的吸收率在90%以上的频带宽度呈现出先增大后减小的趋势。由9.6 GHz(8.4～ 18 GHz) 上升至10.72 GHz(7.28～ 18 GHz),随后再次降低至9.6 GHz(8.4～18 GHz)。进一步,当羰基铁粉的质量分数为40%时,吸收率在99%(即-20 dB)以上的带宽达到了2.08 GHz(10.56～12.24 GHz,17.6～18 GHz),且主要集中在X 波段,达到了1.68 GHz。

图11 含有不同羰基铁粉质量分数的N-S 型超材料吸波器的(a)反射损耗和(b)吸收率/反射率对比图Fig.11 Comparison of (a) reflection loss and (b) absorptivity/ reflectivity of N-S type metamaterial absorber with different mass fraction of carbonyl iron powder

综上所述,在超材料吸波器宏观结构相同的情况下,当羰基铁粉质量分数为40%时,超材料的反射损耗最大,吸收率达90%以上的带宽最大,吸波性能最佳。

将设计的超材料吸波结构与已发表的文献在最小反射损耗、-10 dB 以下带宽等方面进行对比,如表1所示。由表1 可知,与非羰基铁粉制备而成的超材料吸波器相比,本文制备的吸波器兼具厚度小、反射损耗小以及吸收率高的特点。同时,与羰基铁粉制备而成的超材料吸波器相比,所制备的吸波器尽管在厚度上有所缺陷(与文献[14],[17]以及[32]相比),但具有吸收强度以及带宽大、吸收率高的特性。同时,不同于传统“三明治”结构或多层金字塔堆叠结构,所制备吸波器为单层结构,体现了加工简单的特点。

表1 本文制备的超材料吸波器与其他文献的对比Tab.1 Comparison of the performance parameters of the metamaterial absorber prepared in this paper with other literatures

4 结论

本文设计并制备了基于磁流变弹性体的超材料吸波器。通过宏观及微观结构的共同作用,可有效提升吸波器性能。仿真及测试结果表明,吸波器对于电磁波的损耗以磁损耗为主,当羰基铁粉质量分数为40%时,N-S 型吸波器在7.28～18 GHz 频段内对电磁波的吸收率可达90%以上,其中9.12～12.16 GHz 频段内的反射损耗为-24.15 dB,吸收率可达99%以上。本研究可为基于磁流变弹性体的超材料吸波器的研发打下坚实的基础。同时,对未来电磁吸波及隐身领域装备的研发具有一定的借鉴作用。

致谢

本文研究工作得到了重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室的甘如饴、方彪以及余淼等人的支持,在此对他们表示衷心的感谢。