山東大學AM：仿生雙色葉片啟發新型可定制電磁吸波器

隨著無線通信系統和高度集成電子設備的迅猛發展，在寬頻范圍內抑制有害電磁散射與干擾已成為電磁兼容與信息安全的核?需求。盡管?性能寬帶電磁吸波器近年來取得了顯著進展，但現有設計策略仍相對有限。傳統?案主要包括材料組分與微結構調控、基于阻抗或功能梯度的三維結構設計，以及基于超材料與超表?的頻譜エ程。然?，這些?法要么因材料參數與?何變量的強耦合導致頻譜響應調控能?受限，要么因依賴多層諧振單元堆疊和精密加エ??臨結構復雜、成本?昂等問題。因此，如何在更簡潔的結構框架下實現兼具寬帶響應與可定制?作頻段的吸波器設計，仍是該領域亟待突破的關鍵挑戰。

受背腹雙?葉片整合?譜光管理與定向調控的啟發，山東大學劉峣教授、張子棟教授和北京郵電大學畢科教授、上海海事大學Hou Qing合作團隊提出了?種仿?混合超結構（圖1）。該結構以阻抗漸變六?錐臺吸波體作為寬帶吸收主體，并在其下?設置諧振反饋層，選擇性地增強基線吸收頻譜中吸波較弱的頻率。實驗表明，該超結構在X波段具有本征吸收峰，并在18?40 GHz范圍內實現了超過80%的吸收率。通過反饋層エ程設計，可在X-K波段特定區域形成可定制的吸收窗口。同時，結合遺傳算法優化的ExtraTrees代理模型，實現了反饋層?何參數的快速逆向識別。該エ作建?了集寬帶響應、靶向增強與逆向設計于?體的仿?框架，為?性能可定制電磁吸波器提供了新途徑。相關論文以“Dorsiventrally Bicolored Leaf-Inspired Metamaterial Absorbers for Tailorable Electromagnetic Absorption”為題，發表在Advanced Materials上。

圖1 | 從背腹雙色葉片到混合電磁吸波器的仿生結構-功能映射。

仿生設計與結構優化

受植物葉片高效光捕獲三維結構的啟發，研究團隊設計了基于阻抗梯度的三維仿生吸波器。該吸波器由均勻有損耗基底和上方密排六角錐臺陣列構成，每個錐臺從寬底部向窄頂部漸縮，形成空間幾何梯度。這種梯度結構產?從空?到吸波體的連續等效折射率過渡，從?抑制界?反射、增強波耦合進入損耗介質，實現寬頻電磁波捕獲與多級衰減。通過系統調控六角錐臺陣列的?度、側壁傾角和底部特征長度等關鍵?何參數（圖2a-c），研究團隊確定了最優?何構型。在最優參數下，該吸波器在8?60 GHz范圍內表現出?效寬帶吸收（吸收率≥80%）。

由于六角錐臺陣列近似具有C6對稱性，優化后的吸波器在正?射條件下對橫電和橫磁偏振表現出幾乎相同的吸收率，體現了強偏振不敏感性。其?度穩定性評估顯示（圖2d-e），橫電偏振下?吸收率主要維持在?頻區域，?橫磁模式在更寬頻范圍內展現出更強的?度容忍性。與相同總厚度的均勻平板相?，三維結構的吸收率在8?60 GHz范圍內顯著增強（圖2f）。歸因于梯度結構使輸?阻抗實部更接近1、虛部趨近于0（圖2g-h），從?在寬頻帶內改善了阻抗匹配與波耦合效果。

圖2 | 仿生三維吸波器的優化與電磁場分析。（a-c）分別隨H?、α和P變化的模擬吸收光譜。（d、e）橫電和橫磁偏振下的角度吸收圖譜。（f）平面結構與優化三維結構的吸收光譜對比。（g、h）歸一化輸入阻抗的實部和虛部。（i-k2）橫電/橫磁偏振下10.4、33.1和46.0 GHz處的電場分布。（l-n2）橫電/橫磁偏振下10.4、33.1和46.0 GHz處的磁場分布。（o-r）橫電入射下33.1 GHz處不同相位角的電場分布。

電磁場分布與損耗機制

為闡明寬帶吸收機理，研究團隊分析了三個代表性頻率下的電場和磁場振幅分布以及電場相位演化（圖2i-n，其中圖2i-k2為電場分布，圖2l-n2為磁場分布）。在10.4 GHz時，電場主要分布在錐臺陣列的上邊緣、傾斜側壁和單元間間隙區域（圖2i，l），表明相鄰單元間的耦合以及與梯度表?的相互作?。在33.1 GHz時，電場分布于傾斜側壁和單元間區域，并在錐臺邊緣附近出現局部增強（圖2j，m），說明梯度?何促進了波耦合和內部場重新分布。在46.0 GHz時，電場強烈局域在邊緣和?落（圖2k，n），表明結構不連續在?頻場局域中起更重要作用。相位演化（圖2o-r）揭示了吸波體內部穩定的駐波樣圖案，源于?射波與?屬背板反射波之間的?涉，這種?涉誘導的場積累促進了后續在損耗介質中的耗散。

磁場分布則主要集中于單元下半部分，特別是錐臺底部、傾斜側壁和相鄰單元間的谷區。在10.4 GHz時，最強烈的磁響應出現在下部單元間區域，?在33.1和46.0 GHz時，磁場主要沿下部側壁和槽區分布，表明磁能主要局域在?屬背板上?的梯度結構下部。得益于羰基鐵在GHz頻段的磁損耗能?，這種場局域促進了電磁能在羰基鐵基吸波體中的耗散，有助于實現寬帶吸收。

頻率選擇性反饋層設計

在三維仿生吸波器基礎上，研究團隊進?步引?了功能仿?設計概念——在損耗吸波體下?放置周期性?屬諧振器作為頻率選擇性反饋層。通過調控諧振器?何，反饋響應可與基線吸波器吸波較弱頻率區域匹配。在這些?標頻帶，諧振反饋層增強局部場局域并促進損耗介質中額外的能量耗散，從?在保持三維吸波器固有寬帶吸收的同時實現頻率選擇性增強。

研究團隊系統研究了單環（圖3a）、雙環（圖3b）和三環（圖3c）反饋層結構。單環設計在基本保持基線吸收輪廓的同時，在?標頻帶內引?了額外的增強峰，且增強峰位置隨環半徑增?向低頻移動，遵循LC型諧振標度關系。雙環和三環設計分別產?兩個和三個分離的增強峰，對應于不同半徑環的諧振。環間距作為額外調控參數（圖3d），增?環間距使增強峰向?頻移動。這些結果表明增強峰位置主要由環?何決定，并受環間耦合進?步調制。與厚度匹配的平面參考結構相?，三維構型仍保留了更強的寬帶吸收基礎（圖3e），證明了三維形貌在后續頻率選擇性增強中的有效性（圖3f）。

雷達散射截面縮減與厚度調控

為評估增強吸收帶的實際意義，研究團隊在三環設計的第二個增強峰處分析了雷達散射截?縮減（圖3g-l）。與?屬板相?，僅吸波體結構通過本征電磁耗散降低雷達散射截?（圖3h），僅超表?結構盡管在該頻率有吸收，但散射抑制有限（圖3i）。相?之下，混合超結構表現出最強的雷達散射截?縮減（圖3g），表明有效散射降低源于諧振反饋與吸波體損耗的協同作?。在鏡??向，混合超結構相對?屬板產?8.70 dB的雷達散射截?縮減，超過僅吸波體結構和僅超表?結構。混合超結構在?多數觀測?度保持最?雷達散射截?縮減（圖3j-l），證實增強吸收峰可通過反饋超表?與損耗吸波體的協同作?轉化為增強的散射抑制。

圖3 | 仿生結構演化、目標頻率增強及17.1 GHz處的雷達散射截面縮減。（a-c）單環、雙環和三環反饋層隨R變化的吸收圖譜。（d）三環反饋層隨S變化的吸收圖譜。（e）平面和三維吸波器基線及僅超表面結構的吸收光譜。（f）三維吸波器基線與混合超表面的吸收對比。（g-j）17.1 GHz處金屬板、僅吸波器、僅超表面和混合超表面的極坐標雷達散射截面圖案。（k）對應的角度雷達散射截面曲線。（l）相對金屬板的雷達散射截面縮減。

研究進?步發現，通過調控吸波體與反饋層之間的厚度分布，可實現從離散諧振增強到寬帶耦合耗散的連續演化（圖4I-II）。當反饋層與吸波體之間存在有限間隙時（圖4a,c），吸收響應表現為多個離散增強峰；隨著間隙減?趨向于零（圖4b,d），這些離散峰逐漸展寬并合并為更連續的?吸收響應。這種演化反映了從離散諧振反饋機制到近場耦合寬帶機制的轉變，其中?屬圖案與有損耗羰基鐵層之間的相互作?更加直接。

機理分析與等效電路模型

為闡明頻率選擇性增強的物理起源，研究團隊選取三個代表性增強頻率進?了功率損耗密度分布、模型解耦、反射相位?較和復反射向量分析（圖4III）。在17.1和21.6 GHz處，反饋圖案建?了頻率選擇性諧振響應，?羰基鐵層提供了主要耗散路徑（圖4e-f）。在13.0 GHz處，增強峰并非僅由?屬圖案的獨?諧振決定，?是源于羰基鐵層與反饋層之間的耦合相互作?。復反射向量分析表明（圖4h），反饋層不僅引?孤?諧振響應，更修正了吸波體-背板系統的復反射向量，使反射系數更接近原點。由于?屬背板抑制了傳輸，反射降低轉化為損耗羰基鐵層中增強的電磁耗散。因此，狀態A中的選擇性增強源于諧振反饋、相位輔助反射抑制和吸波體損耗的協同效應（圖4IV）。

研究團隊進?步建?了簡化傳輸線輔助等效電路模型來解釋從離散增強到寬帶耦合耗散的轉變。在該模型中，同?環反饋層由三個諧振RLC分?表?，羰基鐵層引?的額外耗散加載使每個諧振分?的有載品質因數降低，從?使初始離散諧振峰展寬并部分合并，產?狀態B中觀察到的更連續耦合耗散響應。

圖4 | 混合超結構的厚度依賴狀態演化與機理分析。（I）固定L=1.5 mm時隨H?變化的吸收演化。（a、b）H?=0.8和1.5 mm時的代表性光譜。（II）固定H?=0.8 mm時隨L變化的吸收演化。（c、d）L=1.5和0.8 mm時的代表性光譜。（III）狀態A在13.0、17.1和21.6 GHz及狀態B在10.3 GHz處的功率損耗密度分布。（e）模型A的反射損耗光譜。（f）模型R和混合超結構的反射損耗光譜。（g）模型A和R的反射相位光譜。（h）13.0 GHz處的復反射系數分析。（IV）本征吸波體損耗、混合頻率選擇性吸收和相位輔助反射抑制的示意圖。

實驗驗證

研究團隊制備了代表性混合超結構并在微波暗室中采?拱形法進?了表征（圖5上方為測量裝置、分解視圖及制備樣品照片）。與平?參考樣品相?，三維吸波體在更寬頻范圍內表現出改善的吸收性能（圖5d），證實梯度結構在實驗條件下依然有效。引?介質間隔層和超表?反饋層后，三維構型仍表現出優于平?參考樣品的吸收性能（圖5e），表明三維吸波體的寬帶優勢在與頻率選擇性反饋?系統集成后得以保持。完整混合超結構的實測吸收光譜與仿真結果在主吸收特征和增強光譜響應??總體吻合良好（圖5f），驗證了所提出仿?混合設計的有效性。

圖5 | 制備的混合超結構實驗驗證。上圖：自由空間測量裝置、混合超結構分解視圖及制備的吸波層、介質間隔層和超表面結構照片。（d）三維和平面吸波層的吸收光譜。（e）基于三維和平面吸波層組裝的混合結構吸收對比。（f）最終混合超結構的實測和仿真吸收光譜。

逆向設計與展望

為實現增強峰的精準靶向設計，研究團隊構建了集成代理模型框架（圖6I-II），以三環諧振結構的?何參數為輸?，提取前三個增強峰頻率和吸收率作為輸出。經過多種回歸模型對?，ExtraTrees模型因穩健的預測性能被選為代理模型，并通過遺傳算法結合五折交叉驗證進?超參數優化。SHAP分析揭?了物理上有意義的特征重要性演化：低頻增強峰主要由外環?何決定，??頻增強峰逐漸受定義嵌套環間距和有效內環尺?的參數影響，這與同?環反饋層的諧振調諧?為?致。

利?優化后的代理模型，研究團隊在預定設計域內快速篩選候選反饋層?何（圖6III），并經全波仿真驗證。兩個代表性設計案例（圖6a）的仿真增強峰與?標頻帶吻合良好，其中案例?經加エ實測（圖6b），其吸收光譜與仿真結果在主增強頻帶內?致，為代理輔助參數篩選策略的有效性提供了直接實驗?持。

圖 6 | ExtraTrees–GA輔助電磁吸波器逆向設計流程。（I）CST參數掃描生成吸收光譜并提取輸出，數據集經清洗、歸一化后劃分為訓練集和測試集。（II）基于遺傳算法的ExtraTrees代理超參數優化，采用五折交叉驗證。（III）代理引導下在目標頻率和吸收率約束下篩選候選幾何。（a）兩個逆向設計案例的全波驗證。（b）案例1的實測與仿真吸收光譜對比。

綜上所述，該?作建?了?種仿?設計框架，實現了?性能、頻譜可定制電磁吸波器，為集成寬帶耗散與按需頻譜調控的實?化吸波系統提供了有前景的路徑。