[科普中国]-吸收体

定义

微波吸收体是指能有效地吸收入射微波从而使其目标回波强度显著衰减的一类功能材料。设计微波吸收体的基本要求是：（1）入射波最大限度地进入吸收体内部而不是在其前表面上反射，即材料的匹配特性；（2）进入吸收体内部的电磁波能迅速地被吸收体吸收衰减掉，即材料的衰减特性。实现第一个要求的方法是通过采用特殊的边界条件来达到与空气阻抗相匹配；而实现第二个要求的方法则是使微波吸收体具有很高的电磁损耗，即微波吸收体应具有足够大的介电常数虚部（有限电导率）或足够大的磁导率虚部。但这两个要求是互相矛盾的。另一方面，从工程实用角度来看，还要求微波吸收体具有厚度薄、重量轻、吸收频带宽、坚固耐用、易于施工和价格便宜等特点，这些要求通常也是与电磁吸收体性能的要求互相矛盾的，因而在设计和研制微波吸收体时必须对其厚度、材料参数与结构进行优化，对其带宽和材料性能水平进行折中1。

性能参数定量描述吸波材料电性能参数有:

(1)反射率，定义为R=20 lg⁡(Er/Ei)=10lg (Pr/Pi) [dB]，式中，Ei和Pi分别为入射平面波的场强和功率;Er和Pr分别为吸波材料平板反射波的场强和功率。

(2)频带宽度，指反射率低于某一给定最小值的频率范围。

(3)入射角敏感性，指反射率随入射角变化的依赖关系。

(4)极化特性，指电场相对于入射平面（即入射方向与平板法向构成的平面）的指向。

(5)品质因数，指吸波涂层材料所能搜盖的最大波长与其厚度d之比，即d/λmax，此值越小表明材料的性能越好。2

分类根据微波吸收体的吸收机理可分为电吸收体和磁吸收体两大类。电吸收体的吸收剂多采用导电石墨，磁吸收体通常为铁的混合物。按照吸收带宽微波吸收体则可分为窄带类和宽带类。按照使用方式来看，可分为表面涂敷型和复合结构型。涂敷型材料筱盖在目标的金属表面部分，而结构型吸波材料则将吸波材料与非金属基复合材料结合起来，使之既具有吸波性能又有复合材料的重重量轻、强度高等优点1。

基本形式（1）Salisbury屏

图给出Salisbury屏的示意图。薄屏放置于导电板前方，并用低损粕无耗、

低介电常数具有相对导纳Y1的衬垫隔开。假定屏在z方向上其中C、s可任意变化，但在xy平面上是均匀的，平面电磁波垂直入射于吸收体。对于这种结构，我们寻求的问题是在屏的性质和偏离距离苗取何值时，方能使系统的反射为零。

（2）Dallenbach吸收体

Dallenbach吸收体是由金属底板上的均匀有耗介质层构成，如图所示。介质厚度为d，介电常数和磁导率分别为ɛr=ɛ’r-jɛ”r及μr=μ’r-jμ”r，其中Zd为有耗介质层的本征阻抗。材料表面的反射是介质界面的阻抗变化而产生的。根据传输线模拟法，等效为一段长为d的终端短路的传输线。

Dallenbach与Salisbury吸收体一样是同属谐振型吸收材料，他们的带宽相对较窄。因此，要使微波吸收体获得所期望的带宽:如2^-18GHz，采用较薄的单层吸收体是难以实现的。因此，人们就致力与通过使用多层介质来展宽吸收体的频带宽度。Jaumann吸收体和渐变介质吸收体便是基本型吸收体的衍变。

（3）Jaumann吸收体

Salisbury屏的带宽可以通过增加电屏薄片和隔离层来改善，这样以Salisbury原型发展而成的新的吸收体，被称为Jaumann吸收体，如图3.4所示。对于N层结构而言，任意相邻层内的电磁场，在其层间边界上计及到边界条件后的连续性方程。3

超材料吸收体超材料的概念自上个世纪提出以来，一直是科学研究领域的热点，频繁地出现在各类文献报道中。超材料翻译于英文中的“Metamaterials"，而其中“meta-”这个前缀是希腊语中“超越”的意思，比如还有“Metasurface”也是类似的单词表示特异表面的意思。顾名思义，超材料(Metamaterials)是一种具有特殊性质的一类材料，这种特殊性质在自然界很难存在或者根本不存在。超材料是个定义非常广泛的概念，但其特异的性质对应的对象是“波”。对不同作用的对象它包括声波超材料、水波超材料和电磁波超材料等等，本论文主要围绕电磁波超材料领域，下面简称为超材料。而随着研究的深入，对于超材料的概念已经基本达成共识，是指人工构造的，可用等效的介电函数￡和磁导率刀来描述其在电磁波中性质，具有自然界一般材料所不具备电磁性质的一种亚波长结构的复合材料；目前已应用在负折射、异常透射隐身、完美吸收等技术领域。4

完美吸收是把所有入射的电磁波完全的吸收掉，为了分析这种完美吸收的性质，我们要考虑电磁波在界面处的所有物理现象。假象一束电磁波照射到样品上，会有以下几种现象发生:反射，散射，透射，吸收或者是转化为表面波。值得一提的是表面波是沿着表面传输的一种波，本论文所关注的表面等离激元是一种表面波，沿着传播方向会慢慢衰减并被吸收，所以我们一般关注的是反射、散射、透射和吸收。

如果想要把入射的电磁波完全吸收掉的话，那么界面处的反射，散射和透射都应该消除掉。

1、对于散射来说，如果表面平均粗糙度(Ra)远远小于入射电磁波的波长（λo），那么界面处的散射效应就可以忽略。

2、对于完全消除透射也很容易做到，只需要在底部加一层不透明的材料就可以消减几乎百分之百的透射光，如贵金属等等，所以超材料吸收体一般在底部加金属薄膜层。

3、那么对于包括超材料的大部分吸收体达到完美吸收的难点其实在于如何将表面反射降到最低。