通过切除周期性宏观结构元素来改善磁性微波吸收层的阻抗匹配和微波吸收性能

《IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters》：Improving Impedance Matching and Microwave Absorption Performance of Magnetic Microwave Absorbing Layer by Cutting Away Periodic Macro Elements

磁性微波吸收层通过宏观结构调控实现介电常数降低和吸收频带扩展，研究显示周期性宏观圆柱体去除后（meta-MAL），吸收带宽从3.8-6.6 GHz（2mm）扩展至7.7-18 GHz，阻抗匹配性能显著提升，并验证了规模化生产的可行性。

　　

摘要：

通过微观和介观尺度上对吸收剂的调控，进一步降低磁性微波吸收层（MALs）的介电常数变得越来越困难，这限制了阻抗匹配和微波吸收性能的提升。本文采用宏观尺度的超材料调控方法来提升性能。厚度为1毫米和2毫米的基于羰基铁（CI）的MALs的吸收频段分别为8.4 GHz至13.6 GHz和3.8 GHz至6.6 GHz。通过从2毫米厚的MAL中切割出周期性圆柱形宏观结构元件，制备出了一种新型的超材料（meta-MAL），其介电常数显著降低，吸收频段扩展到了7.7 GHz至18 GHz。与具有相同厚度和表面密度的传统MALs相比，meta-MAL在阻抗匹配特性和带宽方面均表现出更好的性能。实验验证了该设计的有效性。这项工作为通过切割宏观结构元件来提升各种磁性MALs的性能提供了新的方法，该方法适用于实际应用中的大规模生产。

引言

在具有高反射特性的表面覆盖微波吸收层（MAL）一直是实现雷达隐身效果的有效方法[1]。MAL通常是由均匀混合的吸收剂和基体材料构成的复合材料。早期使用的介电MAL吸收剂主要为碳系材料[2]、[3]，但存在阻抗匹配性能差、匹配厚度大和带宽窄的问题。相比之下，磁性MAL具有双复数特性，因此能够在较薄的厚度下实现更宽的吸收频段[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。常见的磁性吸收剂包括铁氧体[4]、羰基铁（CI）[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、FeCo[11]、[12]和FeSiAl[13]、[14]。其中，由于羰基铁具有较高的饱和磁化强度和低成本，因此被广泛研究和应用。然而，磁性MAL的介电常数远高于磁导率，这恶化了其阻抗匹配性能，限制了吸收频段的进一步扩展。由于羰基铁粉末（CIPs）之间的导电网络是导致高介电常数的主要原因，因此提出了多种表面绝缘处理方法[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。主流的处理方法包括原位氧化和钝化[15]、[16]、无机涂层[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]以及有机涂层[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。尽管经过多年研究，但在宽频率范围内进一步降低介电常数仍面临挑战。同时，这些化学方法的低产率和高昂成本不利于大规模生产。