阶梯形超材料吸收体在油类传感中的应用：高灵敏度双频段微波传感器设计与性能验证

本研究针对传统超材料吸收体(MMA)频率单一、单元尺寸大、油类区分能力不足等问题，设计了一种新型阶梯形方环分裂结构超材料传感器。该传感器在S波段(3.6 GHz)和C波段(5 GHz)分别实现99.91%和99.74%的吸收率，有效介质比(EMR)达6.94，灵敏度2.59，品质因数26.604，为油类检测提供了高灵敏度(2.59)、宽角度稳定性(180°)的微型化解决方案。

　　

在电磁波吸收与传感领域，传统超材料吸收体(MMA)面临三大痛点：工作频段单一难以适应多场景需求，单元尺寸过大限制集成应用，对油类介电特性的区分能力不足。这些问题严重制约了MMA在5G通信、环境监测等领域的实际应用。针对这些挑战，Md. Ismail Hossen团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》发表创新研究，通过精巧的阶梯形结构设计，实现了双频段超高吸收性能的微型化油类传感器。

研究采用计算机仿真技术(CST)和电路建模(ADS)相结合的方法，首先通过参数化扫描优化单元结构，随后建立等效RLC电路验证电磁特性。样本分析选取五种典型食用油（介电常数1.8-3.68），利用全波仿真获取S参数并计算有效介电常数(ε_r)、磁导率(μ_r)等关键指标。

设计和方法学部分显示，12×12 mm²的阶梯形分裂方环结构在FR4基板上形成多重LC谐振。通过四代结构迭代（图3），最终版本在3.6 GHz和5 GHz分别产生λ/6.94波长的强谐振，单元尺寸仅0.144λ×0.144λ，较文献报道缩小80%以上。

结果分析揭示独特电磁特性：在谐振点呈现单负特性（ε_r<0或μ_r<0），折射率接近零（图7）。场分布分析（图8）表明阶梯结构通过控制表面电流路径产生磁偶极子，E场在分裂间隙集中，H场沿金属条带分布，这种协同作用实现宽入射角（60°）稳定性。

传感性能测试显示（图12），传感器对棕榈籽油(ε_s=1.8)灵敏度达2.59 GHz，品质因数26.604，优于同类设计（表3）。介电常数每增加0.5，谐振频率偏移0.12 GHz，实现油类精准鉴别。等效电路模型（图9）中，4.7 nF间隙电容(C_g)与1.8 nH电感(L_p)的协同作用解释了双频谐振机制。

这项研究的重要意义在于：首次将阶梯形结构应用于油类微波传感，通过结构创新实现99.9%吸收率与6.94 EMR的平衡。提出的灵敏度-Q因子-品质因数(FOM)综合评价体系为MMA性能评估提供新范式。尽管尚未进行实验验证，仿真数据表明该设计在油品质量监控、微流控检测等领域具有应用潜力，特别是其3.6/5 GHz工作频段与现有Wi-Fi基础设施兼容，有利于开发低成本传感系统。未来研究可进一步优化结构以适应工业级检测需求，并通过实验验证其在复杂介质环境中的稳定性。