超材料復(fù)合吸波體的設(shè)計(jì)與研制

李希，魏文政，汪家輝

（西南技術(shù)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(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，即通過人工微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自然材料所不能實(shí)現(xiàn)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(fù)折射率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等[2-3]。超材料的最大特點(diǎn)是通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)與負(fù)磁導(dǎo)率[4-5]。將超材料運(yùn)用到雷達(dá)吸波領(lǐng)域，構(gòu)建超材料吸波體。該超材料吸波體是由超材料結(jié)構(gòu)和介質(zhì)基板組成的，其相較傳統(tǒng)吸波材料有很多性能突破，如在厚度較薄的條件下實(shí)現(xiàn)L、S等低頻強(qiáng)吸收；實(shí)現(xiàn)寬頻強(qiáng)吸收兼容、拓寬吸波頻段等[6-8]。

為了實(shí)現(xiàn)超材料吸波體“薄、輕、寬、強(qiáng)”的目標(biāo)，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(tǒng)吸波材料與超材料復(fù)合吸波體[9-10]。為實(shí)現(xiàn)單層超材料吸波體的寬帶強(qiáng)吸收，采取的途徑通常有兩類：一類是通過設(shè)計(jì)超材料單元圖案對電磁波多頻響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)強(qiáng)吸收；另一類是通過調(diào)控超材料的材料電磁參數(shù)，實(shí)現(xiàn)吸收峰位動(dòng)態(tài)移動(dòng)。但單層超材料吸波體并未實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上的寬頻強(qiáng)吸收，局限于在單頻點(diǎn)或多頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)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(qiáng)吸收是通過按梯度多層疊加實(shí)現(xiàn)的[2,9]。為保證材料性能，單層方片的尺寸、厚度都有參數(shù)指標(biāo)要求，因此在制作工藝上比較復(fù)雜，加工難度較大。

傳統(tǒng)吸波材料與超材料復(fù)合吸波體是結(jié)合兩者優(yōu)勢設(shè)計(jì)的吸波體，能實(shí)現(xiàn)單一傳統(tǒng)吸波材料或超材料無法達(dá)到的性能，在目前看來是超材料運(yùn)用最有前景的研究方向[9]。本文的設(shè)計(jì)思路也是結(jié)合超材料與傳統(tǒng)吸波材料，通過設(shè)計(jì)不同超材料單元圖案、不同電磁參數(shù)的介質(zhì)基體、不同的導(dǎo)電炭黑濃度，總結(jié)出能實(shí)現(xiàn)復(fù)合吸波體寬頻強(qiáng)吸收的規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

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

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(shè)計(jì)→制作絲網(wǎng)→配料→絲網(wǎng)印制→干燥。

復(fù)合吸波體制備流程：超材料吸波體與傳統(tǒng)吸波材料粘結(jié)→干燥。

1.3 諧振單元與排列方式設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不同的圖案樣式或調(diào)整尺寸大小又各包含2種，共設(shè)計(jì)8種諧振單元圖案，見圖1—5。

六邊形類超材料圖案結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(zhuǎn)排列，具體見圖2。將圖2a記為3#，圖2b記為4#。

設(shè)計(jì)兩層嵌套開口六邊形。外層六邊形邊長6.5 mm，內(nèi)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(nèi)層六邊形邊長6 mm，外兩層線寬2 mm，內(nèi)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)正方形邊長23 mm/28 mm，內(nèi)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(shè)計(jì)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(fù)合吸波體的制備

將設(shè)計(jì)的超材料圖案印制成300 mm×300 mm的絲網(wǎng)。配置不同導(dǎo)電碳黑含量梯度的涂料，稱量水性粘合劑 3211、導(dǎo)電碳黑、增稠劑 2130，導(dǎo)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(zhì)基，其尺寸為300 mm×300 mm。將 4種不同配比的涂料分別用絲網(wǎng)模板印制在介質(zhì)基板上，印制圖案厚度為 0.1 mm。將超材料吸波體與傳統(tǒng)吸波材料相粘結(jié)，傳統(tǒng)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(fù)合吸波體結(jié)構(gòu)見圖6和圖7。

1.5 性能測試

復(fù)合吸波體的反射率性能測試采用弓形法進(jìn)行。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是Agilent公司生產(chǎn)的E8363B，測試復(fù)合吸波體2～18 GHz范圍內(nèi)垂直入射狀態(tài)下的吸收性能，天線入射角為3.5°，見圖8。

圖6 FR-4介質(zhì)基板復(fù)合吸波體結(jié)構(gòu)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(zhì)基板復(fù)合吸波體結(jié)構(gòu)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(shè)備Fig.8 Bow test equipment

2 結(jié)果與分析

2.1 相同配比、相同圖案、不同介質(zhì)基體

2.1.1 六邊形類復(fù)合吸波體測試結(jié)果

將 1#、2#兩種尺寸六邊形圖案按絲網(wǎng)印刷工藝分別印制在PVC泡沫、FR-4兩種基材上，與傳統(tǒng)吸波材料粘結(jié)，制作出超材料復(fù)合吸波體，其雷達(dá)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(xiàn)了3個(gè)吸收峰值。介質(zhì)基板為FR-4的復(fù)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(zhì)基板為PVC的復(fù)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體相比 PVC低頻、中頻峰值衰減減弱，而在高頻時(shí)吸波性能大幅增強(qiáng)，全頻范圍內(nèi)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(zhì)基板為FR-4的復(fù)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(zhì)基板為 PVC的的復(fù)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體低頻雷達(dá)波吸收弱于PVC基板，但在9.64 GHz后，其雷達(dá)波吸收能力大幅增強(qiáng)，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(fù)合吸波體雷達(dá)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(fù)合吸波體測試結(jié)果

將3#、4#開口田字格類超材料單元圖案，按90°旋轉(zhuǎn)排列、絲網(wǎng)印刷工藝印制在PVC泡沫、FR-4兩種介質(zhì)基板上，與傳統(tǒng)吸波材料粘結(jié)，制作的超材料復(fù)合吸波體，雷達(dá)波反射率測試結(jié)果見圖10。由圖10a可知，兩種基材的小尺寸田字格復(fù)合吸波體的反射率曲線均出現(xiàn)了 3個(gè)吸收峰值，介質(zhì)基板為 FR-4的復(fù)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(zhì)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體低頻雷達(dá)波吸收弱于PVC基板，但在9.48 GHz后，雷達(dá)波吸收能力大幅增強(qiáng)，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(dá)波反射率測試曲線，兩種基材的吸波體反射率曲線均出現(xiàn)了3個(gè)吸收峰值。介質(zhì)基板為FR-4的復(fù)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(zhì)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體低頻、中頻雷達(dá)波吸收弱于 PVC基板，但在13.6 GHz之后，雷達(dá)波吸收能力大幅增強(qiáng)，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(fù)合吸波體雷達(dá)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(fù)合吸波體測試結(jié)果

將設(shè)計(jì)的 5#、6#開口嵌套六邊形類超材料，采用絲網(wǎng)印刷工藝印制在PVC泡沫、FR-4兩種介質(zhì)基板上，與傳統(tǒng)吸波材料粘結(jié)，制作的超材料復(fù)合吸波體的雷達(dá)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(dá)波反射率曲線均為多頻帶曲線。介質(zhì)基板為FR-4的復(fù)合吸波體反射率曲線選取 3個(gè)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(zhì)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體雷達(dá)波吸波均優(yōu)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(huán)超材料，吸波體雷達(dá)波反射率曲線均為多頻帶曲線。介質(zhì)基板為 FR-4的復(fù)合吸波體反射率曲線選取三個(gè)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(zhì)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體雷達(dá)波吸波僅在中頻段吸波性能低于PVC，其余頻段均表現(xiàn)出更強(qiáng)的發(fā)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(fù)合吸波體雷達(dá)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(fù)合吸波體測試結(jié)果

7#、8#方塊嵌圓類諧振單元，采用絲網(wǎng)印刷工藝印制在PVC泡沫、FR-4兩種介質(zhì)基板上，與傳統(tǒng)吸波材料粘結(jié)，制作的超材料復(fù)合吸波體的雷達(dá)波反射率測試曲線見圖12。大尺寸的方塊嵌圓吸波體雷達(dá)波反射率曲線見圖12a，其均為多頻帶曲線。介質(zhì)基板為FR-4的復(fù)合吸波體反射率曲線選取3個(gè)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(zhì)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體低頻、中頻雷達(dá)波吸收弱于 PVC基板，但在13.24 GHz之后，雷達(dá)波吸收能力大幅增強(qiáng)，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了5%。

圖12b小尺寸吸波體雷達(dá)波反射率曲線均為多頻帶曲線。介質(zhì)基板為FR-4的復(fù)合吸波體反射率曲線選取3個(gè)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(zhì)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(nèi)，F(xiàn)R-4復(fù)合吸波體低頻、中頻雷達(dá)波吸收弱于PVC基板，但在11.84 GHz之后，雷達(dá)波吸收能力大幅增強(qiáng)，全頻段低于?15 dB的帶寬拓寬了16%。

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

2.1.5 結(jié)果分析

除介質(zhì)基板外，2.1小節(jié)中每類超材料復(fù)合吸波體均保持了其余條件參數(shù)一致。梳理每組測試結(jié)果，可得出一些共性：首先在6 GHz附近低頻均出現(xiàn)了吸收峰值；其次基于 FR-4介質(zhì)基板的復(fù)合吸波體 14～17 GHz高頻頻段吸波性能均大幅優(yōu)于PVC泡沫介質(zhì)基板的，合格頻段拓寬。兩種介質(zhì)基板的復(fù)合吸波體，區(qū)別在于介質(zhì)基板的介電常數(shù)與厚度，F(xiàn)R-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(shù)不同的FR-4材料（厚度為0.5 mm，介電常數(shù)εr分別為3.2、3.5、3.8，）制作相同諧振單元的復(fù)合吸波材料。從圖13a可見，隨著基板介電常數(shù)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(dá)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(shù)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(fù)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(dòng)。

單獨(dú)將傳統(tǒng)吸波材料進(jìn)行雷達(dá)波反射率測試，見圖14。在6.44 GHz出現(xiàn)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(qiáng)吸收。復(fù)合超材料均在6 GHz附近出現(xiàn)了相同的強(qiáng)吸收峰，而中高頻反射率均大幅好于傳統(tǒng)吸波材料。說明復(fù)合吸波體對雷達(dá)波的損耗機(jī)理來源于介質(zhì)損耗與歐姆損耗，傳統(tǒng)吸波材料貢獻(xiàn)在低頻的窄帶介質(zhì)損耗，超材料吸波體在中、高頻貢獻(xiàn)了很大的歐姆損耗。

2.2 相同配比、相同介質(zhì)基體、不同諧振單元

將在FR-4介質(zhì)基體上制作的8種諧振單元的復(fù)合吸波體，進(jìn)行雷達(dá)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(fù)合吸波體，保持了相同的材料結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)吸波材料與介質(zhì)基板相同的電磁參數(shù)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(qiáng)度與合格帶寬，5#與3#諧振單元復(fù)合吸波體，在2～18 GHz具有更突出的吸波性能。5#與 3#復(fù)合吸波體所設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)與金屬背板之間形成的電容電感電阻達(dá)到某一最佳值，因此電路諧振最強(qiáng)，吸收帶寬最大。

圖14 傳統(tǒng)雷達(dá)吸波材料雷達(dá)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(fù)合吸波體測試曲線Fig.15 Test curves of composite absorbers with different resonance units

表1 復(fù)合吸波體反射率測試結(jié)果表Tab.1 Test results of reflectivity of composite absorbers

2.3 相同圖案、相同介質(zhì)基體、不同涂料配比

分別配置含導(dǎo)電碳黑和樹脂不同含量的涂料（導(dǎo)電碳黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%、30%、60%、80%），選用3#與5#圖案印制在FR-4介質(zhì)基體上，各制作4種不同涂料配方的復(fù)合吸波體。從圖16可見，4組不同配比的 5#、3#諧振單元復(fù)合吸波體，雷達(dá)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(gè)吸波峰值及雷達(dá)波衰減低于?20 dB的帶寬。

圖16 不同導(dǎo)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(dǎo)電碳黑含量的增加，6 GHz附近低頻吸收峰值有所下降，復(fù)合吸波體在低頻對雷達(dá)波的衰減能力有所下降；但在高頻14～17 GHz頻段，隨著導(dǎo)電碳黑含量增加，峰值向低頻移動(dòng)并且吸收峰值增加，材料對雷達(dá)波的吸收能力增強(qiáng)；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?guī)捰兴陆怠?/p>

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(dǎo)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(fù)合吸波體有最佳方阻區(qū)間，在達(dá)到最佳方阻值時(shí)，電路諧振達(dá)到最強(qiáng)，吸波峰值與帶寬達(dá)到最大。

表2 復(fù)合吸波體反射率測試結(jié)果表Tab.2 Test results of reflectivity of composite absorbers

3 結(jié)論

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

2）復(fù)合超材料吸波體對電磁波的損耗來源于傳統(tǒng)材料的介質(zhì)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(jìn)行融合。

3）介質(zhì)基板的介電常數(shù)與厚度會(huì)影響材料吸波性能，介電常數(shù)增加，厚度降低，14～17 GHz吸收性能增強(qiáng)。超材料結(jié)構(gòu)與金屬背板之間形成的電容電感電阻達(dá)到某一最佳值，電路諧振最強(qiáng)，吸收帶寬最大。導(dǎo)電碳黑含量有最佳區(qū)間，表面電阻達(dá)到最佳匹配值，吸波性能最強(qiáng)。