system: [SYSTEM]

user: 3. 结果与分析 3.1. 石墨烯超材料微结构材质的分析 图2为本文用来做超材料微结构材质的原料石墨烯的扫描电镜照片，从图中可以看出，石墨烯的片径为5~10 μm之间。不同石墨烯含量的浆料的粘度在30，000~100，000 mPa∙s之间，细度在10 μm以下。将不同石墨烯含量的浆料印刷在基板表面，用四探针法测试其方阻，其方阻值在100~3000 Ω/□之间。 图1. 基于超材料改进设计的吸波涂层结构图 图2. 石墨烯的扫描电镜照片 3.2. W型钡铁氧体的形貌和电磁性能分析 图3为本文用来做吸波涂层的原料W型钡铁氧体的扫描电镜照片，从图中可以看出，W型钡铁氧体的片径在5~15 μm之间，厚度为500 nm左右。能谱分析表明，W型钡铁氧体的成分为BaZnCoFe 16 O 27 。 图4和图5分别为W型钡铁氧体在2~18 GHz范围内的复介电常数和复磁导率。从图中可以看出，W型钡铁氧体的介电常数实部和虚部在2~18 GHz频段内基本保持不变，分别为6.7和0.1左右。磁导率实部从2 GHz处的2.6逐渐下降到10 GHz处的0.7附近，然后缓慢下降到18 GHz处的0.6附近。磁导率虚部先增大后减小，首先从2 GHz处的1.0逐渐上升到7 GHz处的1.5附近，然后逐渐下降到18 GHz处的0.2附近。 在测得的W型钡铁氧体的电磁参数基础上应用传输线定理可以对其吸波性能进行计算和评价。吸波材料可以近似地看作传输线，根据传输线的一般理论，解传输线方程可得吸波材料反射率计算公式如下： (1) R L = 20 lg | ( Z i n − Z 0 ) / ( Z i n + Z 0 ) | (2) 其中Z in 为吸波材料的输入阻抗；Z 0 为自由空间的波阻抗；μ r 和ε r 分别为吸波材料的复介电常数和复磁导率；c为电磁波在自由空间的传播速度，即光速；f为微波频率；d为吸波材料厚度；RL为反射损耗。 图3. W型钡铁氧体的扫描电镜照片 图4. W型钡铁氧体的复介电常数 图5. W型钡铁氧体的复磁导率 图6为W型钡铁氧体在不同涂层厚度下的反射率损耗曲线。从图中可以看出，当W型钡铁氧体涂层厚度为1.0 mm时，在2~18 GHz范围内反射损耗不超过−5 dB；当涂层厚度为1.5 mm时，反射率损耗在6~18 GHz范围内小于−5 dB但不超过−10 dB；当涂层厚度在2.0 mm时，吸收峰值在16.2 GHz可达−31.4 dB，有效吸收带宽(RL < −10 dB)可达11.6 GHz，其频带位置为6.4~18 GHz；当涂层厚度在2.5 mm时，吸收峰向低频方向移动，在7.3 GHz附近可达−31.9 dB，有效吸收带宽可达10.6 GHz，其频带位置为5.4~15 GHz；当涂层厚度为3.0 mm时，吸收峰进一步向低频方向移动，峰值强度降低，有效吸收带宽变窄，在6.2 GHz附近的吸收峰值仅为−21.8 dB，有效吸收带宽仅为4.5 GHz，其频带位置为4.7~9.2 GHz。上述结果表明，W型钡铁氧体涂层在厚度较小时，反射损耗不明显，随着涂层厚度增加，反射损耗逐渐增加，当厚度为2.0 mm时，有效吸收带宽达到最大。 图6. W型钡铁氧体在不同涂层厚度下的反射率损耗曲线 3.3. 基于超材料对吸波涂层的改进设计 通过石墨烯超材料微结构材质对不同厚度的W型钡铁氧体吸波涂层进行改进设计。首先研究吸波涂层厚度为1.0 mm时石墨烯方环方阻值R s 对吸波性能的影响。本文通过CST仿真得到了石墨烯方环方阻值R s 为100，200，500，1000，2000 Ω/□时吸波涂层的反射率曲线，如图7所示。从图中可以看出，当石墨烯方环方阻值R s 为100 Ω/□和200 Ω/□时，吸波涂层的性能仅提高了1~2 dB左右，当方环方阻值R s 为500 Ω/□时，在9 GHz附近的吸收峰超过−8 dB，在5.2~18 GHz的频带范围内反射损耗超过−6 dB；当方环方阻值R s 为1000 Ω/□时，在9 GHz附近的吸收峰超过−10 dB，在5.7~18 GHz的频带范围内反射损耗超过−8 dB；当方环方阻值R s 为2000 Ω/□时，在14.3 GHz附近的吸收峰可达−13.9 dB，有效吸收带宽可达11.3 GHz，频带位置在6.7~18 GHz。上述结果表明，对于吸波性能不明显的1.0 mm吸波涂层而言，经过超材料的改进设计并选择合适的阻值，W型钡铁氧体吸波涂层的吸波性能可以得到大幅改善。 然后选择有效吸收带宽最宽的2.0 mm吸波涂层作为研究对象，研究石墨烯方环方阻值R s 对W型钡铁氧体吸波涂层性能的影响。图8为方环不同阻值下W型钡铁氧体吸波涂层的吸波性能仿真图。从图中可以看出，当石墨烯方环方阻值R s 为200 Ω/□时，吸波涂层的有效吸收带宽从11.6 GHz增加到12.4 GHz，吸收峰值从−31.4 dB下降到16.3 GHz处的−17.6 dB，整体吸波性能有所回落；当石墨烯方环方阻值R s 为500 Ω/□时，有效吸收带宽增加到12.7 GHz，吸收峰值有所回升，在15.9 GHz处可达−24.6 dB，在6.6~17.7 GHz范围内实现了反射损耗小于−15 dB；当石墨烯方环方阻值R s 为1000 Ω/□时，吸收峰值在15.4 GHz处可达−48 dB，−20 dB的吸收带宽可达11.4 GHz，频带位置在7.4~16.8 GHz，此时吸波性能达到最强；当石墨烯方环方阻值R s 增加到2000 Ω/□时，−20 dB的吸收带宽下降到7.4 GHz，频带位置在8.1~15.5 GHz，吸收峰值在10.6 GHz附近为−29.7 dB；当石墨烯方环方阻值R s 进一步增加到3000 Ω/□时，−20 dB的吸收带宽进一步到3.9 GHz，频带位置在9.2~13.1 GHz，吸收峰值在10.8 GHz仅为−22.3 dB。以上结果表明，超材料改进设计过程中，2.0 mm吸波涂层存在着一个最佳的方环方阻值2000 Ω/□，此时−20 dB的吸收带宽达到最大。 图7. 1.0 mm吸波涂层在不同方环方阻值下的反射率损耗曲线 图8. 2.0 mm吸波涂层在不同方环方阻值下的反射率损耗曲线 为了考察吸波涂层厚度对超材料改进设计后吸波性能的影响，本文固定方环方阻值为2000 Ω/□，通过CST仿真不同涂层厚度时的吸波性能，如图9所示。从图中可以看出，当吸波涂层厚度为1.0 mm和1.5 mm时，吸波性能尚不能达到−20 dB，而吸波涂层厚度为2.0 mm时，−20 dB的吸收带宽可达7.4 GHz，当吸波涂层厚度增加到2.5 mm时，−20 dB的吸收带宽下降到5.5 GHz，当吸波涂层厚度进一步增加到3.0 mm时，吸波性能又回落到−20 dB以下。以上结果表明，随着吸波涂层厚度的增加，经过超材料改进设计的吸波涂层性能先增大后减小，在W型钡铁氧体吸波涂层的厚度为2.0 mm时，经超材料改进设计后的吸收带宽达到最大，说明经超材料改进设计后的吸波涂层也存在一个最佳匹配厚度，此时吸波性能最佳。 图9. 经超材料改进设计的吸波涂层在不同厚度下的反射率损耗曲线 3.4. 超材料改进设计对吸波涂层的影响机理分析 为了研究超材料改进设计对吸波涂层的影响，本文选用石墨烯方环方阻值为1000 Ω/□情况下厚度为2.0 mm的吸波涂层作为研究对象。选取频段内的两个吸收峰位置以及两峰中间的位置作为观察点，即f = 8.7 GHz、f = 10.6 GHz和f = 15.4 GHz频点处，并选取f = 3 GHz频点作为参照点，分别观察在TE波模式下超材料改进设计的吸波涂层的电场分布和磁场分布，仿真结果如图10和图11所示。 图10. 吸波涂层在不同频点下的电场分布图 (a) 3 GHz；(b) 8.7 GHz；(c) 10.6 GHz；(d) 15.4 GHz 从图10中可以看出，在3 GHz低频频点处，吸波涂层上的电场开始在超材料方环左右边缘处聚集；在8.7 GHz频点处，电场主要分布在吸波涂层表面，并且在方环左右边缘处也聚集了较强的电场；在10.6 GHz频点处，吸波涂层表面的电场大幅降低，电场主要聚集在方环的左右边上；在15.4 GHz频点处，电场又重新分布在吸波涂层表面，并且在方环左右边缘处也聚集了较强的电场。 图11. 吸波涂层在不同频点下的磁场分布图 (a) 3 GHz；(b) 8.7 GHz；(c) 10.6 GHz；(d) 15.4 GHz 由图11可以看出，在3 GHz低频频点处，磁场主要聚集在方环上下边缘处，特别是在方环四个角上磁场强度达到最大，而在吸波涂层表面分布的磁场很小；在8.7 GHz频点处，在方环上下边缘处的磁场有所下降，而在吸波涂层表面分布的磁场有所上升；在10.6 GHz频点处，吸波涂层表面分布的磁场大幅降低，磁场主要聚集在方环的上下边缘处；在15.4 GHz频点处，吸波涂层表面的磁场又重新上升，并且在方环的上下边缘处也聚集了较强的磁场。 图12为超材料改进设计后的吸波涂层在不同频点处的功率损耗密度分布情况。从图中可以看出，在3 GHz低频频点处，方环上下边缘处的损耗较为明显，而吸波涂层内部的损耗较低。在8.7 GHz频点处，方环上下边缘处的损耗基本不变，而吸波涂层内部的损耗大幅提升；在10.6 GHz频点处，方环上下边缘处的损耗仍然保持不变，而吸波涂层内部的损耗相对8.7 GHz频点时有所降低。在8.7 GHz频点处，能量损耗主要分布在方环上下边缘处和涂层内部，说明在低频吸收峰位置处石墨烯超材料和W型钡铁氧体涂层在这两个频点都对吸波性能产生了贡献。在15.4 GHz频点处，方环上下边缘处的损耗变小，而涂层内部的损耗变大，说明在高频吸收峰位置处主要对吸波性能有贡献的是W型钡铁氧体涂层。通过超材料改进对吸波涂层低频位置处的吸波性能增强，有效地拓展了吸波材料的吸波性能。