楊昊，徐逸凡，石躍婷，王睿，汪君，李維，陳志宏*

裝備防護

三維螺旋超結構/介質(zhì)的低頻協(xié)同效應及其吸波蜂窩制備

楊昊a，徐逸凡b，石躍婷a，王睿c，汪君c，李維c，陳志宏a*

（武漢理工大學 a.理學院 b.材料科學與工程國際化示范學院 c.材料復合新技術國家重點實驗室 武漢 430070）

拓展蜂窩吸波材料的低頻吸收性能，提出一種三維螺旋超結構復合吸波蜂窩的設計方法。在吸波蜂窩中加載三維螺旋超結構，使用電磁場理論和等效電路理論定性分析螺旋超結構對復合蜂窩吸收性能的調(diào)控作用，以優(yōu)化螺旋超結構的參數(shù)。入射電磁波在螺旋超結構表面激發(fā)駐波電流，產(chǎn)生強烈的電共振和磁共振，與蜂窩損耗介質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同吸收效應，增強了吸波蜂窩的低頻吸收性能。仿真和實驗結果表明，加載三維螺旋超結構使得吸波蜂窩的低頻吸收性能顯著增強，在1～6 GHz頻段的平均反射損耗從?3 dB增強至?10 dB。

蜂窩吸波材料；超材料；低頻吸收；等效電路

電磁波的廣泛應用帶來了電磁輻射、電磁干擾等問題[1-3]，導致人類生存空間的電磁環(huán)境日益惡化。在日常生活中使用的電子設備的輻射頻率主要集中在低頻段，目前對吸波材料的研究主要集中在2～18 GHz頻段，2 GHz以下的低頻電磁干擾仍是困擾傳統(tǒng)吸波材料的關鍵問題[4-5]，因此迫切需要研究低頻段的高效吸波材料。與涂層型吸波材料相比，蜂窩型吸波材料具有力學強度高、設計靈活、吸收頻帶寬等優(yōu)點[6]，可同時承擔吸波作用和承載作用，廣泛應用于電磁波吸收、建筑、汽車等領域[7]。

目前，蜂窩結構吸波產(chǎn)品主要利用吸波漿料和芳綸紙蜂窩通過浸漬工藝制備而成，其吸波性能主要取決于蜂窩本身的尺寸及吸波漿料使用的損耗材料[8-10]。損耗材料包括介電材料（如炭黑、石墨烯、碳納米管）、磁性材料（如羰基鐵、鐵氧體等磁性金屬粉末）或它們與高分子的復合材料。介電材料的優(yōu)點在于密度低、易制備，但單一的損耗機制導致有效吸收帶寬（反射損耗低于?10 dB）窄、低頻吸收能力差[11-12]。磁性材料具有磁、介電雙損耗特性，有利于制備厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸收強的吸波材料，但是仍然存在低頻吸收性能差的問題[13]。由此，將磁性材料或者介電材料與蜂窩復合，可在高頻段取得較好的吸收性能，且制備工藝簡單，但其低頻段吸收效果仍較差。近年來，研究人員引入了超材料來解決傳統(tǒng)吸波蜂窩在低頻吸收差的問題。

超材料是一類由亞波長結構單元組成的人工電磁材料[14-16]，通過周期性的排布/編碼超材料單元，實現(xiàn)對電磁波幅值、相位、極化方式、傳播模式、色散的調(diào)控。研究人員對吸波蜂窩進行了超材料化設計，有效增強了吸波蜂窩的吸收性能。超材料蜂窩可分為2類，一類為諧振吸收型。例如He等[17]通過蜂窩孔填充的圖案化設計，在雙層蜂窩之間加入頻率選擇表面，設計并制備了一種寬帶超材料吸波蜂窩。通過相鄰頻率選擇表面單元之間的電共振與圖案化的蜂窩單元的強吸收，厚度12 mm的超材料蜂窩在2.89～18 GHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)了超過90%的電磁波吸收率。Zheng等[18]提出了一種使用3D打印技術和絲網(wǎng)印刷技術制備的集成輕質(zhì)梯度蜂窩，每個蜂窩單元呈梯度結構，在其表面印刷電阻油墨。該超結構蜂窩的厚度為5 mm，在5.3～15.9 GHz頻帶內(nèi)的電磁波吸收率超過90%，具有良好的角度穩(wěn)定性和極化不敏感性。諧振吸收型超材料復合蜂窩具有吸收能力強、調(diào)控靈活等優(yōu)點，但其制備工藝復雜、制備成本高。另一類為散射型吸波蜂窩。例如Li等[19]設計并制備了一種超材料/蜂窩夾層復合吸波材料，通過在蜂窩表面加載超材料蒙皮，使入射電磁波產(chǎn)生異常反射和異常透射，降低了復合蜂窩的雷達散射截面，增加了電磁波在復合蜂窩中的傳播距離，提高了低頻寬帶吸收的效果。吸波蜂窩的總厚度為31 mm時，吸波蜂窩在1.65～3.2 GHz和4.5～18 GHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)了超過90%的電磁波吸收。諧振吸收型超材料通常是由單一的金屬圖案結構組成的電磁諧振器陣列，它與入射電磁波的電磁分量分別耦合，產(chǎn)生電共振和磁共振，放大了局域空間的電磁場強度，進而被介質(zhì)材料吸收。散射型超材料復合蜂窩由不同的結構單元組成，利用不同單元之間的反射波相位差實現(xiàn)干涉相消、異常反射，將反射波束打散到各個方向，達到減弱垂直反射電磁波強度的目的，但是被散射的電磁波同樣存在被多站雷達偵測的風險。目前，超材料與吸波蜂窩的復合方法較復雜，通常將超材料單元貼于蜂窩壁表面，不易制備，因此亟待發(fā)展一種可與蜂窩簡易復合，并且能顯著增加其低頻吸收效果的方法。

文中基于吸波蜂窩存在的瓶頸問題，設計一種加載三維螺旋超結構單元的新型復合蜂窩吸波材料，有效利用蜂窩結構的內(nèi)部空間，降低吸波蜂窩厚度。通過仿真優(yōu)化系統(tǒng)研究三維螺旋超結構的結構參數(shù)對復合蜂窩吸波性能的影響，并闡釋相關機理，使三維螺旋超結構與磁性吸波材料產(chǎn)生協(xié)同吸收的效果。

1 超材料復合蜂窩結構設計

設計了一種三維螺旋超結構復合蜂窩結構，示意圖如圖1所示。復合吸波蜂窩以3D打印的聚乳酸（相對介電常數(shù)r=3，正切損耗角tan=0.01）蜂窩結構為骨架，在蜂窩孔中加載三維螺旋超結構（材質(zhì)為不銹鋼，電導率=7.69×106S/m），并填充損耗介質(zhì)。損耗介質(zhì)是由體積分數(shù)為5%的羰基鐵粉（Carbonyl Iron Powder, CIP）和95%的聚氨酯（Polyurethane, PU）組成的磁性吸收材料（CIP/PU）。為蜂窩骨架孔徑，為蜂窩壁厚，為總高度，為所設計的三維螺旋超結構單元的線徑，1為底部螺旋半徑，2為頂部螺旋半徑，為螺距，為螺旋圈數(shù)，定義螺旋錐度=2/1。

圖1 三維螺旋超結構復合蜂窩結構示意圖

2 仿真結果與討論

2.1 螺旋超結構對吸波性能的影響

采用仿真軟件對復合蜂窩進行仿真計算。在軸、軸均設置周期性邊界條件，軸為開放邊界條件。針對復合蜂窩的端口激勵電磁波沿方向入射，復合蜂窩的底部為金屬反射背板。入射電磁波吸收率[20]的計算見式（1）。

式中：11為電磁波反射系數(shù)；21為電磁波透射系數(shù)。

由于有金屬反射背板，因此透射系數(shù)為0，電磁波反射損耗L=20lg11。為了研究螺旋超結構對復合蜂窩吸波性能的影響，對比分析了如下3種情況的反射損耗：蜂窩僅加載螺旋超結構；蜂窩僅填充吸收介質(zhì)；蜂窩加載螺旋超結構，且填充吸收介質(zhì)。在仿真過程中采用的三維螺旋超結構復合蜂窩參數(shù)：=16 mm，=1 mm，=13 mm，=1 mm，1=15 mm，2=1.5 mm，=2 mm，=6，= 0.1。仿真條件與仿真結果如圖2所示。由圖2可知，當復合蜂窩中僅加載螺旋超結構時，在2.4～4.5 GHz低頻段內(nèi)出現(xiàn)了4個諧振峰，在9～18 GHz高頻段內(nèi)出現(xiàn)了若干個諧振峰。由于復合蜂窩中未填充損耗介質(zhì)，諧振吸收峰的強度不高，因此僅加載螺旋超結構對復合蜂窩吸波性能的貢獻有限。當復合蜂窩中僅填充損耗介質(zhì)時，復合蜂窩對電磁波的吸收依賴于損耗介質(zhì)的介電損耗和磁損耗，損耗介質(zhì)在8.1、15.5 GHz存在2個本征吸收峰，有效吸收帶寬僅為6 GHz。當在復合蜂窩中加載螺旋超結構且填充損耗介質(zhì)時，在1.7～5 GHz低頻段處出現(xiàn)了4個反射損耗低于?25 dB的強吸收峰，在1.7～17 GHz頻段內(nèi)反射損耗小于?10 dB。低頻強吸收峰與螺旋超結構的諧振吸收峰對應，可見螺旋超結構與損耗介質(zhì)會產(chǎn)生協(xié)同損耗效應，增強了復合蜂窩的低頻吸收性能，拓展了有效吸收帶寬。

為了進一步揭示螺旋超結構與損耗介質(zhì)之間的協(xié)同損耗機制，分別研究了4個超材料諧振吸收峰（1.9、2.4、3、4.2 GHz）頻點處螺旋超結構表面電流分布，如圖3所示。

圖2 螺旋超結構與吸收介質(zhì)的協(xié)同損耗仿真結果

圖3 螺旋超結構表面電流分布

由圖3可見，在入射電磁波的激勵下，螺旋超結構表面產(chǎn)生了強烈的感應電流，在螺旋超結構表面形成了等離子駐波共振[21-22]，駐波電流波節(jié)點如圖3中黑色三角標所示。根據(jù)等離子體駐波共振理論，螺旋超結構諧振頻率可根據(jù)式（2）計算。

式中：為光速；λ為駐波節(jié)點間的結構長度；r為損耗介質(zhì)介電常數(shù)；r為損耗介質(zhì)磁導率。

根據(jù)式（2）計算螺旋超結構諧振點，結果如表1所示。由表1可知，根據(jù)駐波等離子體共振理論計算的螺旋超結構諧振頻點與仿真結果完全符合，可以確定螺旋超結構的諧振吸收峰由入射電磁波激發(fā)的駐波電流產(chǎn)生。

為了探究駐波電流在螺旋超結構復合蜂窩中引發(fā)的電磁現(xiàn)象，在仿真模型中添加場監(jiān)視器，觀察電磁場的能量分布。復合蜂窩電磁場能量密度分布如圖4所示。如圖4a所示，在駐波電流的作用下，在三維螺旋超結構上產(chǎn)生了電偶極子振蕩，周圍產(chǎn)生了強烈的交變電場。在1.9 GHz時，電場能量主要集中在螺旋超結構螺旋臂之間及相鄰超結構單元之間，超結構底部的電場能量最強。相鄰螺旋超結構底部產(chǎn)生了大的耦合電容，螺旋臂單元之間積累了大量電荷，在結構底部產(chǎn)生了電共振。根據(jù)等效電路理論[23-26]，耦合電容越大，諧振頻率越小，因此低頻諧振主要在螺旋超結構底部產(chǎn)生。在螺旋超結構內(nèi)部區(qū)域可以觀察到電場能量十分微弱，分析可知，當螺旋超結構發(fā)生諧振并產(chǎn)生交變電場時，也對電場能量產(chǎn)生了束縛作用，電場能量被束縛在螺旋超結構周圍，外界入射電磁波無法透射，因此對螺旋超結構內(nèi)部產(chǎn)生了電場屏蔽作用。隨著入射電磁波頻率的升高，電場能量向超結構頂部匯聚，與表面電流分布相互印證。在損耗介質(zhì)本征吸收峰9 GHz時，可以看到螺旋超結構上僅有微弱諧振產(chǎn)生，此時復合蜂窩對電磁波的吸收依賴于吸收介質(zhì)的本征吸收。

表1 駐波等離子體共振頻率計算

Tab.1 Calculation parameters of standing wave plasma resonance frequency

由圖4b可見，磁場能量主要集中在螺旋超結構螺旋臂之間以及超結構內(nèi)部。與電場能量分布不同，螺旋超結構并未表現(xiàn)出對內(nèi)的磁屏蔽特性。入射電磁波在超材料表面引起電流駐波共振，所產(chǎn)生的交變電流在螺旋臂圓周方向產(chǎn)生了局域交變磁場。同時，每圈螺旋超結構上的交變電流形成磁偶極子，在螺旋超結構軸向產(chǎn)生了局域交變磁場，因此螺旋超結構內(nèi)外都產(chǎn)生了磁共振。在1.9 GHz時，磁場能量主要分布在復合蜂窩底部。在2.4 GHz時，磁場能量轉(zhuǎn)移到不同的螺旋臂之間。在3 GHz時，復合蜂窩底部磁場能量明顯減弱。在4.2 GHz時，磁場能量主要分布在螺旋超結構頂部，隨著頻率的升高，底部的磁場能量逐漸減弱。在吸收介質(zhì)本征吸收峰9 GHz時，可以發(fā)現(xiàn)與電場能量分布類似，螺旋超結構頂部產(chǎn)生了輕微諧振。

圖4 螺旋超結構復合蜂窩電磁場能量密度分布

損耗材料中電磁波的耗散與材料電磁場強度的平方及電磁參數(shù)成正比[27]，見式（3）。

式中：為電場強度；為磁場強度；為電磁波角頻率；''為損耗材料介電常數(shù)虛部；''為損耗材料磁導率虛部。

根據(jù)以上分析，可知螺旋超結構與損耗介質(zhì)的協(xié)同吸收機制：入射電磁波在螺旋超結構表面激發(fā)駐波電流，產(chǎn)生了電共振和磁共振，激發(fā)了強烈的交變電磁場，放大了此區(qū)域的電磁場強度。由式（3）可知，吸波材料的損耗能力得到極大增強，因此螺旋超結構與損耗介質(zhì)的協(xié)同吸收效果遠強于螺旋超結構吸收效果與損耗介質(zhì)吸收效果的線性疊加。螺旋超結構復合蜂窩中的能量損耗密度如圖5所示，可見能量損耗區(qū)域等于電場能量與磁場能量的疊加。

圖5 螺旋超結構復合蜂窩能量損耗密度分布

2.2 等效電路模型

場論與路論是研究電磁現(xiàn)象的2種不同的方法。這里從路論入手，構建螺旋超結構復合蜂窩的等效電路，討論局部空間內(nèi)的電磁能量傳輸現(xiàn)象。根據(jù)2.1節(jié)對復合蜂窩電磁能量的分析可知，低頻諧振峰（1.9、2.4 GHz）主要由螺旋超結構單元間產(chǎn)生，高頻諧振峰（3、4.2 GHz）主要由螺旋超結構自身產(chǎn)生，因此復合蜂窩等效電路可分為2個部分，即蜂窩單元之間的諧振電路和蜂窩單元自身的諧振電路。

蜂窩單元自身等效電路如圖6所示。其中，1為螺旋臂之間的耦合電容，2為螺旋臂與超結構間的耦合電容，3為螺旋臂的分布電容，4為超結構電容，5為超結構耦合電容，1為螺旋臂自感，2為螺旋臂間的互感，3、4為分布電感，1、2為吸收介質(zhì)等效電阻。

采用電路仿真軟件對等效電路進行擬合，確定等效電路（圖6）中的集總參數(shù)，見表2。

圖6 三維螺旋單元內(nèi)的等效電路分析

表2 蜂窩單元間等效電路集總參數(shù)

Tab.2 Lumped parameters of equivalent circuit between honeycomb units

等效輸入阻抗的計算見式（4）。

蜂窩單元間的等效電路[28-30]如圖7所示。其中，1、2為螺旋臂之間的耦合電容，1、2為螺旋臂自感，4、5為螺旋臂與超結構之間的耦合電容，3、4、5、6為螺旋臂之間的互感，3、6為超結構單元之間的電容，7為超結構的電容，1、2為吸收介質(zhì)等效電阻。

使用電路仿真軟件對等效電路進行擬合，確定等效電路（圖7）中的集總參數(shù)如表3所示。

圖7 三維螺旋單元之間的等效電路分析

表3 蜂窩單元等效電路集總參數(shù)

Tab.3 Lumped parameters of equivalent circuit of honeycomb unit

等效輸入阻抗的計算見式（5）。

電磁波反射損耗的計算見式（6）。

式中：0為自由空間波阻抗，0=377 Ω。

根據(jù)等效電路計算反射損耗，結果如圖8所示。根據(jù)等效電路模型計算的復合蜂窩低頻諧振峰與軟件仿真的結果基本符合，證明了等效電路模型的準確性。根據(jù)等效電路模型，低頻段電磁波能量在復合蜂窩的傳遞過程中，首先在螺旋超結構等效的LC諧振回路中激發(fā)電磁諧振，諧振頻率電流達到最大值，隨后被損耗介質(zhì)等效電阻損耗。

圖8 三維螺旋超結構等效電路模擬反射損耗

2.3 優(yōu)化設計超材料結構參數(shù)

通過分析電磁場能量分布和等效電路模型可知，螺旋超結構對不同頻段電磁波的響應位置不同，因此改變螺旋結構參數(shù)可以調(diào)整螺旋結構的諧振特性，從而優(yōu)化復合蜂窩的吸波性能。

為了研究螺旋錐度對復合蜂窩吸波性能的影響，改變螺旋錐度進行仿真計算。通過調(diào)整螺旋錐度影響電磁波反射率的仿真計算曲線如圖9所示，當螺旋錐度由1逐漸減至0.1時，隨著螺旋錐度的減小，螺旋結構由柱形轉(zhuǎn)變?yōu)殄F形，可見螺旋錐度的改變主要影響6 GHz以下的低頻段的吸波性能。螺旋錐度的減小使得雙諧振結構轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀C振結構，即除了原來的螺旋單元間的諧振與同尺度螺圈單元間的諧振，還增加了不同尺度螺圈單元間的諧振。不同諧振結構之間相互耦合，使得螺旋結構諧振頻點增加，不同諧振頻點相互匯集，表現(xiàn)出寬頻強吸收特性。如圖6所示，復合蜂窩在=1時僅在0.5 GHz和4.5 GHz有2個吸收峰；當=0.1時，在1.9、2.4、3、4.2 GHz有4個吸收峰，制造出1.7～6 GHz的低頻強吸收帶。在高頻段，由于螺旋錐度的減小增強了螺旋結構對內(nèi)部的電磁屏蔽，電磁波無法入射到螺旋結構內(nèi)部，從而被吸波介質(zhì)損耗，因此對高頻電磁波的吸收能力減弱。

圖9 螺旋錐度對螺旋超結構復合蜂窩吸波性能的影響

螺旋結構螺距還會對復合蜂窩的吸波性能產(chǎn)生重要影響，這里以螺旋結構螺距為變量進行仿真計算。通過調(diào)整螺距，電磁波反射率的仿真計算曲線如圖10所示。當螺距由0增至2 mm時，螺旋結構由二維平面結構轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體結構。可以看出，螺旋結構螺距主要影響低頻吸收峰的強度。當=0（即螺旋結構為平面結構）時，復合蜂窩對電磁波的吸收效力為吸波介質(zhì)的本征吸收，螺旋結構并未參與對電磁波的吸收。隨著螺旋螺距的增加，在1.5～4.5 GHz頻段產(chǎn)生了3個吸收峰，隨著螺距的增大而逐漸加深。當螺距增至2 mm后，在1.9、3、4.2 GHz處的吸收峰電磁波反射率分別為?34.6、?28.9、?29 dB。依靠這3個強吸收峰，在1.5～7 GHz頻段內(nèi)形成了電磁波反射率低于?10 dB的寬頻吸收帶。通過分析復合蜂窩電磁場可知，螺旋結構在諧振部位被激發(fā)出駐波電流，產(chǎn)生了強烈的電磁場。當螺旋螺距為0時，在螺旋結構上產(chǎn)生了諧振，但此時螺旋結構為二維平面結構，電諧振與磁諧振均被局限在復合蜂窩底部，無充足的損耗空間，無法與吸收介質(zhì)協(xié)同吸收，因此螺旋結構諧振吸收峰被隱藏。隨著螺旋結構螺距的增加，被束縛的諧振電場和諧振磁場在復合蜂窩的三維空間中解放，獲得了充分的損耗空間，螺旋結構與吸收介質(zhì)協(xié)同作用，實現(xiàn)了電磁波的強效吸收，表現(xiàn)出如圖10所示的諧振峰逐步增強現(xiàn)象。三維螺旋結構充分利用了蜂窩結構的垂直空間，實現(xiàn)了復合蜂窩的低頻寬帶強吸收。

圖10 螺旋螺距對螺旋超結構復合蜂窩吸波性能的影響

3 樣品制備與測試

為了驗證設計的可行性，實驗制備了螺旋超結構復合蜂窩樣品。蜂窩孔徑=16 mm，壁厚=1 mm，總高度=13 mm，材質(zhì)為聚乳酸，采用3D打印成型。螺旋超結構的材質(zhì)為304不銹鋼，其線徑=1 mm，底面半徑1=15 mm，螺距=2 mm, 螺旋圈數(shù)=6，螺旋錐度=0.1，由東莞市精密彈簧定做廠定制。將螺旋超結構按照統(tǒng)一角度加載于蜂窩骨架中，蜂窩板邊緣孔格不完整處未加載，樣品如圖11a所示。CIP/PU復合吸波劑的制備過程：將CIP與PU以體積比5∶95混合制成膠液，使用高速分散機以500 r/min的速度分散30 min，將膠液分散均勻后加入固化劑，再次使用分散機以500 r/min的速度分散30 min。在膠液均勻后，使用注射器將制備好的復合吸波劑注入蜂窩中，并晾置3 h后固化。制備好的復合蜂窩樣板如圖11b所示。制備了180 mm×180 mm、300 mm×300 mm 2個尺寸的復合蜂窩板，分別測試6 GHz以上頻段及6 GHz以下頻段。

圖11 三維螺旋超結構復合蜂窩樣品

采用弓形法測試復合蜂窩樣板的反射率，測試結果如圖12所示。測試結果表明，制備的復合蜂窩樣板在1.6～3.6 GHz頻段和6～16.5 GHz頻段內(nèi)的電磁波反射率低于?10 dB，反射率在2.4 GHz時達到了最低值（?22 dB），實現(xiàn)了低頻寬帶強吸收。復合蜂窩樣板測試反射率與仿真結果存在差距，分析可知，前文的仿真計算中、方向均為周期性邊界條件，即仿真對象為無限大復合蜂窩陣列。實際制備的復合蜂窩樣板的尺寸有限，且樣板四邊均有不完整蜂窩孔格，無法加載螺旋超結構。由此可見，誤差主要來源于有限尺寸樣品的邊緣散射，樣品邊緣的螺旋超結構空缺，螺旋結構制備時的幾何誤差，以及復合吸波劑填充時引入的不可避免的空氣層等因素。

將文中結果與同類型超材料吸波蜂窩吸收性能進行對比，結果如表4所示。由表4可知，文中提出的三維螺旋超結構復合蜂窩在低頻寬帶吸收等方面具有一定優(yōu)勢。

圖12 實驗測試結果

表4 同類超材料吸波蜂窩文獻對比

4 結論

文中設計了一種基于三維螺旋超結構的復合吸波蜂窩，仿真計算結果表明，復合吸波蜂窩實現(xiàn)了在1.7～17 GHz頻段內(nèi)反射率低于?10 dB的寬帶吸收，相較于未加載螺旋超結構的吸波蜂窩，加載螺旋超結構使得復合蜂窩在1～18 GHz頻段內(nèi)的有效吸收帶寬被拓寬了273%。入射電磁波會在螺旋超結構表面激發(fā)駐波電流，產(chǎn)生電共振和磁共振，被損耗介質(zhì)吸收。通過分析等效電路，明確了螺旋超結構的參數(shù)對吸波性能的影響，改變螺旋錐度可以增加并匯聚諧振點，以拓寬低頻吸收頻帶，增加螺距可以構造出更大的電磁波損耗空間，增強復合蜂窩對入射電磁波的損耗。實驗測試結果顯示，制備的復合蜂窩樣板在1.6～3.6 GHz和6～16.5 GHz頻段內(nèi)的電磁波反射率低于?10 dB，實現(xiàn)了低頻寬帶吸收，在飛行器制造、綠色建筑板材等領域展現(xiàn)出重要的應用價值。

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Low-frequency Synergistic Effect of 3D Helical Metastructure/Medium and Preparation of Its Absorbing Honeycomb

YANG Haoa,XU Yi-fanb,SHI Yue-tinga, WANG Ruic,WANG Junc,LI Weic,CHEN Zhi-honga*

(a. School of Science, b. International School of Materials Science and Engineering, c. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Thework aims to propose a design method of 3D helical metastructure composite absorbing honeycomb, in order to expand the low-frequency absorption properties of honeycomb absorbing materials. The 3D helical metastructure was loaded in the absorbing honeycomb, and the regulation effect of the helical metastructure on the absorption properties of the composite honeycomb was qualitatively analyzed by the electromagnetic field theory and the equivalent circuit theory, so as to optimize the structural parameters of the helical metastructure. The incident electromagnetic wave excited the standing wave current on the surface of the helical metastructure, produced strong electrical resonance and magnetic resonance, and generated a synergistic absorption effect with the honeycomb loss medium, which enhanced the low-frequency absorption properties of the absorbing honeycomb. The simulation and experimental results show that the low-frequency absorption properties of the absorbing honeycomb are significantly enhanced by loading the 3D helical metastructure, and the average reflection loss of the 1-6 GHz is enhanced from ?3 dB to ?10 dB.

honeycomb absorbing materials;metamaterials;low-frequency absorption;equivalent circuit

TB484.2

A

1001-3563(2023)23-0265-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.032

2023-05-09

國家自然科學基金（52071239）

責任編輯：彭颋