可调谐微波吸收蜂窝结构，采用丝网印刷技术制作共振图案，适用于宽带隐身应用

《Composites Communications》：Tunable Microwave-Absorbing Honeycomb with Screen-Printed Resonant Patterns for Broadband Stealth Applications

本研究提出一种基于屏幕打印谐振图案的可调谐蜂窝吸波结构，通过在内壁集成人工谐振单元实现吸收峰可调。实验表明，与传统吸波器相比，有效吸收带宽增加23%，并在3GHz和16GHz处实现可控吸收峰。该技术克服了传统浸渍法工艺一致性差的问题，为宽带隐身结构设计提供了新思路。

　　

梅碧|帅武|翁小龙|罗伟|林远|潘泰松|李志明

中国电子科技大学材料与能源学院，成都611731，中国

摘要

面对低频和多频段雷达探测系统的挑战，开发兼具宽带吸收能力和可调性能的电磁隐身材料至关重要。传统的浸渍型吸波器蜂窝结构存在固有局限性，如有效带宽窄、性能可调性受限以及工艺一致性差等问题。为克服这些瓶颈，本研究提出了一种基于丝网印刷共振图案的可调吸波器蜂窝结构的新策略。其核心创新在于将人工设计的局部共振单元精确集成到蜂窝单元的内壁上，从而实现可调节和可设计的吸收特性。通过等效电路模型和全波仿真进行协同设计，我们制造出一种图案化蜂窝吸波器（PHA），成功激发了可控的吸收峰：3 GHz和16 GHz处的吸收峰分别由图案的电耦合共振和蜂窝腔的厚度干涉效应主导。实验验证表明，与传统的均匀蜂窝吸波器（HA）相比，PHA的有效吸收带宽增加了23%，同时具有优异的性能重复性。这项工作不仅证明了基于图案的调谐在拓宽带宽方面的有效性，还为实现定制化、可设计的宽带隐身结构提供了新的、易于扩展的解决方案。

引言

电磁波吸收结构是现代电子系统中的基本组件，在从雷达截面积（RCS）减小、电磁兼容性（EMC）到无回声室设计等多个领域发挥着关键作用[1]、[2]。在各种设计中，吸波蜂窝结构因其功能和结构特性的卓越结合而尤为突出。它们重量轻、比强度高，并且可以无缝集成到复合夹层板中，使其成为需要同时承受机械载荷和有效管理电磁波的应用的理想选择[3]、[4]、[5]、[6]。这些蜂窝结构的主要工作原理是在自由空间和底层导电接地平面之间建立渐进的阻抗过渡，从而增强阻抗匹配并促进其损耗介质内的能量耗散[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。

传统吸波蜂窝的制造方法通常涉及将吸波浆料浸渍到芳纶纸蜂窝芯中[9]、[12]。尽管这种浸涂工艺技术成熟，但其性能受到内在限制。由于固化过程中的重力作用，浆料分布往往不均匀，导致电磁特性不一致[4]、[13]、[14]。更根本的是，性能调谐主要局限于改变吸波填料类型或整体涂层厚度。这种方法在定制电磁特性方面的设计自由度有限，通常导致吸收带宽较窄[4]、[12]。为了解决带宽限制，研究人员探索了梯度设计，例如改变涂层厚度[4]、[8]、[9]、[10]、[13]或制造具有渐变折射率的多层复合材料[2]、[7]。虽然这些方法通过改善阻抗匹配成功拓宽了吸收带，但它们通常作为固定性能的解决方案，缺乏进一步扩展带宽和调谐性能的能力。

为了引入更多的设计自由度和功能特异性，最近的研究积极探索了将图案化结构和超材料概念相结合以诱导局部共振效应[15]、[16]、[17]、[18]。频率选择性表面（FSS）的引入已被证明在补偿吸收凹陷和显著扩展带宽方面非常有效[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。除了平面FSS之外，直接在蜂窝壁上进行图案化也成为一种强大的策略。例如，Sang-Min Baek等人在蜂窝壁上印刷了周期性导电图案，实现了轻量化和柔性的吸波器[26]、[27]。Xin Xiu等人在芳纶纸蜂窝上使用丝网印刷的锥形电阻图案形成了损耗腔，实现了从4.87 GHz到30 GHz的超宽带吸收[28]。此外，Ye Han等人通过在芳纶纸蜂窝结构的内壁上进行图案化设计，实现了带通和带阻性能的蜂窝FSS[29]、[30]，并在蜂窝侧壁上设计了指状电容器环路，实现了厚度仅为0.12毫米的低调型宽带吸波器[31]。此外，对于多频段雷达探测威胁而言，可调设计也非常紧迫，而多频段的可调设计在实际隐身应用中仍是一个挑战。最近的进展利用机器学习优化了超结构[32]，在增材制造中通过调节工艺参数来定制介电特性[33]、[34]，或设计相变材料[35]，为多频段吸收设计提供了有前景的途径。尽管上述研究展示了人工结构控制电磁响应的潜力，但更深入的分析表明，大多数现有工作侧重于使用图案实现固定的宽带吸收或特定过滤性能，或者需要复杂的制造过程或大量的计算周期。在精确设计图案的几何参数以实现连续、可预测和可控的吸收性能（特别是吸收峰频率）方面，研究仍存在显著差距。

因此，本研究提出了一种基于丝网印刷共振图案的新颖可调吸波蜂窝策略。特定的共振图案被印刷在蜂窝的内壁上，将局部LC共振效应引入传统的传输线系统。通过控制图案的几何参数，PHA能够通过简单的图案尺寸变化实现可预测和独立的吸收峰调谐，有效应对多频段探测威胁。同时，利用丝网印刷技术，在共振图案和吸波涂层的高精度和重复性方面取得了突破，克服了传统浸涂方法的局限性。实验验证表明，有效带宽提高了23%[36]、[37]，吸收峰可以被控制，并结合仿真分析，揭示了图案的电共振和蜂窝腔厚度的协同吸收机制。这项工作不仅提高了宽带吸收性能，还建立了一个完整的“设计-制备-验证”方法体系，为新型吸波结构的发展提供了新的思路和方向。

章节摘录

设计

传统的吸波蜂窝结构缺乏可调的雷达反射率。为了解决这一限制，本文提出了一种利用电磁波共振吸收的新设计，以增强特定频段内的雷达反射率性能。通过将CST Microwave Studio仿真与丝网印刷技术相结合，实现了可调的宽带吸波蜂窝结构。

如图1a所示，该设计采用了图案化的蜂窝芯，其中特定的共振

优化研究

当蜂窝单元尺寸确定后，PHA的吸收特性取决于几何配置和材料属性，包括碳浆料涂层的厚度w以及共振单元的结构参数。这些参数通过调整PHA的等效电磁参数来影响吸收特性，而这些参数不仅取决于内部材料的成分，还取决于它们之间的耦合效应。

结论

本研究通过将人工设计的共振图案集成到蜂窝单元的内壁上，成功开发了一种新型的可调微波吸波蜂窝结构。主要结论总结如下：

• 1.
  与传统的均匀蜂窝吸波器（HA）相比，所提出的图案化蜂窝的有效带宽显著增加了23%，同时在特定频率（3 GHz和16 GHz）实现了可控的吸收峰，从而实现了精确调谐

作者贡献声明

李志明：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念化。潘泰松：验证、形式分析。林远：资源获取、调查、数据管理。罗伟：撰写 – 审稿与编辑、监督。翁小龙：验证、方法论。帅武：撰写 – 初稿撰写、可视化、形式分析、数据管理。梅碧：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查

利益冲突声明

作者声明与本研究不存在利益冲突。我们声明与提交的工作无关任何商业或关联利益冲突。

资助

作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他支持。

利益冲突声明

作者声明与本研究不存在利益冲突。我们声明与提交的工作无关任何商业或关联利益冲突。