近日，电子科技大学光电科学与工程学院朱伟明研究员课题组联合同济大学物理科学与工程学院王占山和程鑫彬教授团队的施宇智教授以及香港城市大学蔡定平教授和广州大学张武副教授研究了基于水单元结构“掺杂”的宽频超表面微波吸收器，并通过实验证实该吸收器能够基于水单元结构电磁场耦合协同作用在17.5-40 GHz频带内实现效率高于93%的高效微波吸收，其整个结构的厚度仅有中心波长的五分之一，为设计宽频、紧凑型“完美”（接近100%）微波吸收器提供了可行方案。相关研究成果“Ultrabroadband and >93% Microwave Absorption Enabled by “Doped” Water Meta-Atom Lattice with Subwavelength Thickness”发表于《先进材料》（Advanced Materials），并入选front cover。
超表面是一种由亚波长单元结构组成的电磁参数可设计的人工材料，它在高效、宽频、小尺寸微波吸收器设计方面具有显著优势。如何控制超表面单元结构的电磁场分布，使其在宽频范围内满足阻抗匹配条件并实现“完美”微波吸收是当前微波吸收器研究领域的一大挑战，这有利于进一步拓展现有微波吸收器的应用。
图2：基于单元结构“掺杂”的吸收光谱拓宽效应
受传统光学材料掺杂拓展光谱的启发，研究团队提出了超表面单元结构“掺杂”的概念。如图2所示，大超原子A和小超原子B能够基于结构尺寸的不同分别响应并吸收低频（A）和高频（B）入射微波，而整个结构位于40 GHz附近的吸收峰则对应了超表面的“晶格振动”。因此，从超原子“掺杂”的角度出发，该微波吸收器的吸收峰可以根据超原子A、B的尺寸进行设计。
图3：“掺杂”微波吸收器的结构及其超宽频、多频“完美”微波吸收
如图3所示，所设计的单元结构“掺杂”水基超表面吸收器由尺寸不同的水柱阵列周期性相间排列组成（3a）。通过控制两种水柱的尺寸，该吸收器能够分别实现超宽频（图3c）、多频带（3d）“完美”微波吸收。图3b展示了宽、窄频带吸收所对应的电场和磁场强度分布示意图，而“完美”吸收频带宽度同阻抗匹配范围有关，即电场和磁场强度相近的位置。
图4展示了宽频“完美”微波吸收器在21.0 GHz、28.5 GHz、36.0GHz频率监测下的电场（4a）、磁场（4b）以及能量损耗（4c）分布。
图4：宽频“完美”微波吸收器的电场、磁场以及能量损耗分布图
显然，在该结构中，大、小尺寸水柱单元间存在强烈的电场耦合效应。与此同时，其磁场分布也随着频率的增加逐渐从大水柱转移至小水柱之中，进而同样存在磁场协同作用。因此，基于大、小水柱电、磁场的耦合协同效应，该“掺杂”水基超表面则可以在宽频范围内实现阻抗匹配和高效微波吸收。
图5展示了所设计宽频、多频带高效微波吸收器的样品实物（5a和5b）以及仿真和实验测试结果对比（5c和5d）。结果表明，通过合理设计两种水柱的尺寸和电磁分布，该吸收器的吸收峰可以分别覆盖宽频、多频带范围，其实验结果和仿真结果相吻合。
图5：宽频、多频带高效微波吸收器样品和吸收性能的实验、仿真对比
为了评估所设计宽频微波吸收器的性能，图6则从吸收带宽和结构厚度的角度将其同现有微波吸收器进行了对比。
图6：宽频高效微波吸收器同现有微波吸收器的性能对比
电子科技大学朱伟明教授、同济大学施宇智教授、香港城市大学蔡定平教授和广州大学张武副教授为论文的通讯作者。电子科技大学博士研究生秦晋为论文的第一作者，现为西安邮电大学讲师。其他具有突出贡献的作者还包括同济大学王占山教授和程鑫彬教授、电子科技大学博士研究生江世斌、广州大学硕士研究生高钰淞、姚述培等。
https://doi.org/10.1002/adma.202411153
