超轻低成本反射/吸收双模可重构超表面的设计与性能研究

为解决传统电磁超材料在重量、成本和功能单一性方面的局限，研究人员开发了一种基于损耗型电磁带隙(EBG)层的超轻低成本可重构超表面。该结构通过机械切换损耗层实现反射(REBG)与吸收(AEBG)双模功能：反射模式在2.48/5.84 GHz呈现同相反射特性，吸收模式在2.2-7.28 GHz带宽内实现>90%的吸收效率，并兼具红外屏蔽(ε=0.06)和5 dB天线增益增强能力。采用SB-SADEA智能优化算法设计的纺织基超表面，为可穿戴电子和隐身技术提供了创新解决方案。

　　

在电磁调控领域，传统超材料面临重量大、成本高和功能固化的三重挑战。特别是军事隐身和5G通信等领域，亟需能同时实现宽带吸收、精准反射和红外伪装的多功能材料。现有技术如ITO薄膜和FR4基电路板虽能实现部分功能，但其刚性结构、高昂造价（如金涂层）和环境污染风险严重制约实际应用。更棘手的是，电子重构方案依赖PIN二极管等有源元件，导致系统复杂度和功耗激增。

针对这些瓶颈，浙江大学智能电磁控制与先进电子集成重点实验室的研究团队创新性地提出了一种纺织基双模超表面。这项发表于《Materials》的研究，通过巧妙的"三明治"结构设计：顶层采用200 Ω/sq碳膜构成双环电阻层，中间为泡沫介质(<ε>=1.03)，底层是导电织物制作的同心方环反射层(REBG)，实现了机械切换式工作模式转换。研究团队运用自适应贝叶斯神经网络代理模型辅助差分进化算法(SB-SADEA)，仅用1.25小时完成114次电磁仿真优化，解决了传统设计方法在复杂结构参数优化中的效率瓶颈。

关键技术包括：1）采用四探针法测定纺织材料表面电阻(23.8760 mΩ/sq)；2）波导传输线法测量介质基板电磁参数；3）基于等效电路模型的阻抗匹配设计；4）红外热成像定量分析辐射屏蔽性能。

【设计与仿真结果】
单元体设计通过双环电阻层与十字电阻网络的协同作用，在2.48 GHz和5.84 GHz分别激发外环和内贴片电流共振。全波仿真显示：移除损耗层时，REBG结构在目标频点呈现0°相位反射；加载损耗层后，吸收带宽达5.08 GHz（2.2-7.28 GHz），且在40°入射角和60°极化角下保持性能稳定。场分布分析表明，2.48 GHz时电场集中在外环间隙处，5.84 GHz时转移至内环边缘，对应磁场的左右边缘分布特征。

【实验验证】
制备的12×12单元样机实测质量仅1.216 g/cm³，较传统方案减轻80%。天线测试表明，REBG模式使单极子天线增益提升5 dB。弯曲和揉皱实验证实其机械稳定性——在曲率半径5 cm弯曲和人工揉皱状态下，吸收率波动<5%。红外测试显示，80°C热源表面经超表面屏蔽后，热成像仅显示28°C（环境25°C），计算得红外发射率低至0.06。

这项研究的意义在于：首次实现纺织基超表面的机械重构双模功能，其"泡沫-织物"复合结构将成本降低至传统方案的1/20。通过智能算法优化获得的宽带吸收覆盖反射频段的特性，解决了模式切换中的频带匹配难题。特别是碳膜电阻层与导电织物的创新组合，既满足军用伪装对轻量化（0.0550 g/cm³）和热管理的需求，又为柔性电子集成开辟新途径。未来可通过开发形状记忆材料驱动损耗层，进一步提升重构响应速度，推动其在自适应隐身衣和智能天线罩中的应用。