微波超构材料（metamaterials）能够针对特定应用需求，实现精确控制微波的传输、反射和吸收。具有深亚波长结构的微波超构材料，凭借其特殊吸收特性吸引了极高的关注，它们能够为电子设备和生物体创造电磁屏蔽，为军事目的提供隐形技术，为无线通信系统构建频率滤波器。尽管对超构材料已经进行了广泛的探索，但是在微波领域对透射型超构材料的研究仍然相对有限，这些超构材料往往受到金属填充率低的限制，其潜在应用仍有待明确。
自动驾驶需要集成不同探测范围的各种传感器，例如激光雷达（LiDAR）、雷达（RADAR）、摄像头和超声波传感器等。即使在恶劣天气条件下，工作频率为76 - 81 GHz的W波段雷达在远距离物体探测方面也能表现出卓越的性能。值得注意的是，自动驾驶和电动汽车的发展密切相关，因为这两项技术都旨在改变交通环境，使其朝着更加可持续、更高效且互联的未来发展。然而，由于电动汽车没有内燃机，发动机盖的温度较低，在有霜或雾的寒冷环境中，可能会影响安装在发动机盖附近传感器的可靠性和功能性。因此，保持传感器视线清晰无阻，对于避免各种驾驶场景中的潜在危险至关重要。为了解决这些问题，制造商采用透明加热器来迅速清除传感器盖板上形成的水汽或冰雪。
此前开发的透明加热器在可见光波段工作良好，可集成到传感器保护罩中用于除霜和除雾。研究人员探索了用于高性能透明加热器的各种材料，例如透明导电氧化物（TCO）、TCO/银/TCO多层板、银纳米线和碳基纳米材料（包括碳纳米管、石墨烯和微结构金属）等。然而，实现透明加热器的两个关键特性——高透光率和薄层电阻，由于它们的物理关联而具有挑战性。降低薄层电阻会增加自由电荷载流子的密度，从而对透射率带来不利影响。另外，此前很少尝试开发在微波波段工作的透明加热器。微波透明加热器的一个可行解决方案是一维（1D）金属丝阵列，类似于显示器应用中使用的线栅偏振器。这种设计可以完全传输特定偏振的微波。然而，从周围环境反射的微波的偏振变化都会削弱其可探测性。更重要的是，随着金属填充率的增加，会影响特定偏振一维金属丝阵列的高透射率，这是双曲超构材料的一般趋势。
据麦姆斯咨询介绍，韩国庆熙大学（Kyung Hee University）的研究人员提出了一种包含电感电容谐振器阵列的超薄超构材料，能在毫米级厚的电介质覆盖层上实现W波段（75 ~ 110 GHz）内特定微波频率的完美传输。研究人员通过调整谐振器的多个结构变量，在每个超构单元中实现高金属填充率，同时保持对目标频率的最大透射率。这种超构材料通过在0.7 mm厚玻璃盖板上沉积300 nm厚的铜（Cu）层制成，然后使用频率扩展到亚太赫兹范围的矢量网络分析仪进行光谱表征。研究人员通过超薄超构材料的复合散射参数，解释了在特定微波频率下观察到的超常传输。为了评估所制造的透明加热器的热性能，研究人员在零度以下的低温条件下进行了除霜测试，结果凸显了极低的薄层电阻（0.41 ohm/sq），具有在零度以下迅速去除薄冰层的加热能力。
用于汽车雷达的微波透明加热器概念
微波透明超构材料的设计
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49001-w
延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《光学和射频应用的超构材料-2024版》
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
