Advanced Functional Materials:具有强度选择特性的非线性吸波超表面

1. 研究背景

在社会经济高速发展的背景下,人们对微波的使用越来越广泛,通信、导航、探测、雷达和遥感等应用均依赖于微波技术的发展。但同时因高强度微波照射带来的设备电磁干扰和人身健康问题也日益突出,引发了人们的普遍担忧。

吸波材料是应对上述问题的潜在方案之一。吸波材料对微波具有损耗效应,将微波能转化为热能并耗散在空气中,同时减小反射,避免二次污染。吸波材料的起源可追溯至第二次世界大战,主要用于吸收雷达波以减小目标被雷达探测的概率,实现雷达隐身。经过几十年的发展,各类高性能吸波材料不断涌现,如铁氧体吸波材料、碳纤维吸波材料、石墨烯吸波材料等,应用场景也不再局限于雷达隐身。吸波材料是电磁场与微波领域的重要研究方向之一。

然而,面对上述强微波防护需求,常规吸波材料的使用可能带来其他负面影响。例如普通电子设备通常工作于弱电磁环境中,无线通信等信号强度很低,而现有吸波材料的性能固定不变,难以区分强、弱信号,在吸收强微波的同时也强烈消耗有用的弱信号,因而可能导致设备性能下降,甚至影响其正常工作。为解决上述矛盾,亟需发展具有强度选择特性的吸波材料,即非线性吸波材料。

材料性能随入射波强度的变化是非线性科学的重要课题,但普通材料在微波频段的非线性很弱,既难以观测,更远离应用,相关研究因此进展缓慢。

2. 论文工作概述

近日,东南大学毫米波国家重点实验室罗章杰崔铁军等提出了一种具有强度选择特性的吸波超表面。得益于新型有源非线性机制的应用,超表面的非线性响应获得显著增强,当入射波由强变弱时,其空间输入阻抗与自由空间阻抗逐渐从匹配变化为失配,因而吸波效率随之降低,全程无需人为控制。功能概念图展示于图1。

研究者加工了一个340 mm×340 mm(约6倍波长×6倍波长)大小的超表面样件,其厚度为4.5mm(不到0.08波长),并在微波暗室对其进行了测试。结果显示,样件对强信号的吸波率在96%以上,绝大部分能量被消耗在材料内部;而随着入射强度的减弱,吸波率逐渐降低至23%,剩余能量被重新反射回自由空间。在宽带、宽入射角及双极化条件下,超表面的非线性吸波特性保持相对稳定。值得一提的是,作为有源器件,该样件在强吸波模式下的功耗不超过0.63W,在弱信号条件下的功耗仅为19mW,响应时间不到0.5μs,展现出较高的应用潜力。

罗章杰副研究员为论文第一作者,崔铁军教授为唯一通讯作者,硕士生陈雨承担了有源非线性电路仿真工作,空军工程大学任学尧老师、新加坡南洋理工大学周林博士、东南大学程强教授和马慧锋教授在超表面结构设计和测试方面给予了宝贵贡献。

3. 图文导读

图1 功能概念图:针对空间波的非线性吸波超表面

4. 致谢

该工作得到“变革性技术”国家重点研发计划、国家自然科学基金、新型人工电磁材料(Metamaterial)学科创新引智基地(111工程)、东南大学“至善青年学者”支持计划等项目的资助。

论文信息:

A High-Performance Nonlinear Metasurface for Spatial-Wave Absorption

Zhangjie Luo, Xueyao Ren, Lin Zhou, Yu Chen, Qiang Cheng, Hui Feng Ma, Tie Jun Cui*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202109544

原文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202109544