使用柔性基底上膨胀石墨设计宽带可调微波吸收体的新方法

为何阻断杂散信号很重要

无线设备、雷达和高速电子设备共享同一条看不见的无线与微波信号通道。当这些信号不受控地反射时，会产生电磁干扰，导致通信混乱、暴露雷达目标，甚至影响医疗设备。因此工程师使用被称为吸收体的特殊涂层来吸收不需要的微波，防止反射。本文介绍了一种薄且可弯曲的吸收体，只需在其中加入或取出极少量的水，就能在宽广的微波频段内实现可调谐性能。

一张能“吞噬”微波的薄片

研究人员旨在构建一种既高效又廉价、柔性并易于重新调谐的吸收体。传统设计常使用刚性的电路板和金属图案，仅在窄频段内工作，并且需要电子元件与接线来改变性能。相比之下，该器件基于由线性低密度聚乙烯（LLDPE）制成的软塑料薄片，并在上面用膨胀石墨切出图形——膨胀石墨是一种廉价且不易腐蚀的碳材料。这些图案充当所谓的超材料“单元格”，即使每个单元远小于波长，也能与微波强烈相互作用。

微小方环与通道如何完成工作

基本构型是一圈膨胀石墨的方形环，中心有一个较小的石墨方块，两者之间由窄缝隔开。当微波照射到该图案时，电场和磁场会在缝隙内外累积，在某些频率下，大部分入射能量会被困住并转化为热能，而不是被反射。通过精心选择环的尺寸、内贴片和环上小开口的大小，作者首先设计出一种版本，在缺省情况下能在约10吉赫（即雷达和卫星链路所用的X波段区间）附近吸收超过90%的入射能量。随后他们优化布局以拓宽吸收带，使相邻更大范围的频率也能被强烈衰减。

将水变成调谐旋钮

为使吸收体可调，团队在塑料基底中沿电场最强的缝隙正下方开凿了狭窄通道。这些通道可保持充气或注入蒸馏水。由于水在微波场中的极化能力远高于空气，加入水会改变单元格的有效电气环境，从而移动其谐振频率。计算机模拟表明：通道为空气时，该结构已能在约2.1吉赫的有用带宽内实现超过90%的吸收。将一个或两个通道注满水会平滑地将该吸收带向更低频率拉动，当两个通道都注水时频移约为1吉赫，同时仍保持带宽较宽。

对柔性薄片的实测

作者并未止于模拟。他们模塑了柔性的LLDPE薄片，机械形成通道，并合成膨胀石墨粉末，将其压制成薄的导电层。借助3D打印的掩模，他们切出方环图案并将其层压到塑料上。成品样品在与矢量网络分析仪相连的标准微波波导中测试，该仪器测量反射信号的多少。实验证实了在X波段的强宽带吸收，并显示先向一个通道、再向两个通道注水， 吸收带可靠地按数值预测的近似量发生了移动。吸收体在弯曲时、对不同入射角和极化仍保持性能，并且在抽去水后再次注水仍能恢复，证明了可重复使用性。

这对实际设备意味着什么

通俗地说，团队创造了一种可调的微波“黑布”：它薄、可弯曲，并由廉价的非金属材料制成。与其依赖复杂的电子元件，不如通过控制材料中隐藏通道内的水量，将工作频段在雷达相关的X波段内滑动。由于它结合了宽带性能、柔性和基于流体的简单调谐，这种吸收体可包覆在曲面上以帮助隐蔽目标、减少紧凑通信系统中的杂散反射，或用于需要屏蔽人体免受不必要微波暴露的可穿戴设备内衬。

引用: Borah, D., Boruah, M.J., Das, B.C. et al. A novel approach to design broadband tunable microwave absorber using expanded graphite on a flexible substrate. Sci Rep 16, 8796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38885-x

关键词: 微波吸收体, 超材料, 电磁屏蔽, 可调材料, 柔性电子学