王文穎， 艾俊強， 王 健

(航空工業(yè)第一飛機設計研究院，西安 710000)

0 引言

雷達是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的火眼金睛,其精確探測給武器裝備實現(xiàn)突防和打擊帶來日益嚴重的威脅。提高武器裝備的隱身性能從而降低發(fā)現(xiàn)概率是提高戰(zhàn)場生存能力和作戰(zhàn)效能非常有效的方法，也是世界各國都在極力發(fā)展的技術。在武器裝備外形已經(jīng)確定并且其自身隱身性能達到一定的高度時，其隱身性能主要取決于隱身材料。

碳泡沫尖劈型吸波材料、鐵氧體吸收劑、導電高分子吸收劑等傳統(tǒng)吸波材料，設計時,介質(zhì)厚度在電磁波傳播方向上要滿足λ/4的要求以實現(xiàn)對電磁波較大的衰減，并且通常材料密度較大，很難同時滿足對吸波材料提出的“厚度薄、質(zhì)量輕、頻帶寬、吸收強”的高性能要求。

超材料(Metamaterial)是一類具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結構或復合材料，通過設計可以表現(xiàn)出負介電常數(shù)、負磁導率、負折射率、逆多普勒效應等超常物理特性，其一系列奇異特性不主要取決于構成材料的本征屬性，而決定于超材料單元結構的圖案形狀、尺寸、排列方式以及介質(zhì)層的電磁參數(shù)等因素。超材料是“材料”又不是“材料”，說其是“材料”是因為其結構組成材料是現(xiàn)實存在的，說其不是“材料”是因為其通過微結構的設計實現(xiàn)了目前自然界現(xiàn)有材料所不具備的物理特性。近年來超材料在微波段及太赫茲頻段的各種應用，如完美透鏡[1]、完美吸收[2]、介質(zhì)天線[3]、極化控制[4]、隱身斗篷[5]等方面?zhèn)涫荜P注。其中，超材料吸波特性研究是研究熱點之一。超材料可以克服傳統(tǒng)吸波材料低頻段工作瓶頸，還可以通過設計實現(xiàn)體積小、厚度薄、質(zhì)量輕的結構特點，在隱身技術領域具有極大的潛在應用價值。

超材料吸波體吸波機理同傳統(tǒng)吸波材料一樣，也是將入射到其表面的電磁波能量轉變?yōu)槠渌问降哪芰慷纳⒌簟３牧衔w需要具備兩個特點：一是阻抗匹配性要好，盡可能減少電磁波的反射，使得絕大部分電磁波能夠入射到材料內(nèi)部；二是有電磁損耗機制，能將入射的電磁波能量轉變?yōu)槠渌问降哪芰?。通過對超材料單元結構進行設計，可以實現(xiàn)電磁波接近完美吸收，并且其厚度可以突破λ/4的限制。近幾年來，國內(nèi)外對超材料吸波體進行了大量的研究，提出了多種吸波體結構模型，本文將從超材料吸波體的提出直至發(fā)展展開論述，并對其在隱身技術中的應用前景進行展望。

1 超材料吸波體的提出

2008年，LANDY等[2]首先提出了由金屬開縫環(huán)、FR4 基板和金屬線構成的“三明治”結構超材料，并把這種超材料稱為完美超材料吸波體，該吸波體結構示意圖和百分比形式的反射率、吸收率、透射率等結果見圖1。

圖1 完美超材料吸波體Fig.1 Perfect metamaterial absorber

該完美超材料吸波體結構在11.5 GHz時吸收率仿真值能夠達到96%，實驗測試值達到88%。由于構成這種超材料結構的材料金屬銅以及 FR4 基板在該波段本身損耗極小，因此，可以斷定此類亞波長超材料結構通過設計顯著增強了對電磁波的吸收能力。這種吸波體設計原理是利用上層的金屬開縫環(huán)電諧振器提供電響應εeff，而用來自于上層開縫環(huán)與底層金屬線之間的反平行電流提供磁響應μeff，通過調(diào)節(jié)電磁諧振單元的尺寸大小以實現(xiàn)阻抗調(diào)控，使其等效阻抗zeff與自由空間的阻抗z0相匹配，即

(1)

則可以使得諧振頻率附近反射率和透射率達到最小，從而吸收率最大。完美吸收主要源于諧振器結構對入射電磁波產(chǎn)生的局域電磁諧振引起的歐姆損耗和介電損耗[6]。

自完美超材料吸波體被提出后，這一開創(chuàng)性的工作很快激起了人們關于超材料吸波體高吸收率的研究興趣。很多研究者根據(jù)這個思路設計出了接近完美吸收的超材料吸波體，所設計的結構一般都采用“金屬導電圖案+有耗介質(zhì)基板+金屬背板”構成的“三明治”結構，其工作頻率可以不受材料本征屬性限制而通過調(diào)節(jié)金屬單元結構方便地進行設計。雖然超材料吸波體對電磁波的吸收率可以接近100%，但由于其諧振機制限制，吸收帶寬一般都比較窄，這會阻礙其在實際中的應用。

2 超材料吸波體的發(fā)展

隨后，為了提高超材料吸波體的吸收帶寬，人們又研究設計了多種方法，包括加載集總元件引進新的諧振機制[7-12]、通過多單元結構設計或多層結構復合將多個諧振峰不完全疊加[13-16]、多種不同類型的材料進行復合[17-22]等來實現(xiàn)吸收頻帶的展寬。

2.1 加載集總元件的超材料吸波體

對超材料吸波體可以根據(jù)等效電路理論來進行分析設計，即將超材料結構等效為由等效電阻、等效電容和等效電感組成的串并聯(lián)電路，而直接在吸波體結構中加入集總元件則可以方便地改變阻抗特性和損耗特性，為超材料吸波體的發(fā)展提供了一種新的探索思路。

文獻[7]設計了一種基于加載集總元件的ELC(Electrically coupled LC resonator)和SRR(Split Ring Resonators)超材料吸波體，通過集總電阻和電容調(diào)節(jié)輸入阻抗，降低Q值，增加吸收強度，并通過多種諧振單元組合的方法拓寬了吸收頻帶，實現(xiàn)在2.4 GHz處得到99%的吸收率，半峰值帶寬為700 MHz；文獻[8]設計了一種基于集總元件的超材料吸波體，顯示出了寬頻帶、極化不敏感和寬角度強吸收特性，可在低頻范圍內(nèi)實現(xiàn)寬帶吸收，強吸收頻率范圍為1.57～3.07 GHz，對吸收機制的研究表明，強吸收主要來源于集總電阻的作用；文獻[9]設計了加載集總電阻和電容的開縫元寶形超材料吸波體，測試得到的90%以上吸收率帶寬達到1.5 GHz。綜上可見，加載集總元件是一種有效實現(xiàn)電磁波寬帶吸收特性的超材料設計方法。圖2所示為上述幾種不同的加載集總元件的超材料吸波體結構。

圖2 幾種不同的加載集總元件的超材料吸波體結構

雖然加載集總電容和電阻可以顯著增強吸收帶寬，是一種新穎的方法，但是該方法不利于實際生產(chǎn)制造以及工程應用。

2.2 多單元或多層結構超材料吸波體

超材料吸波體可以通過不同單元圖案之間的諧振，形成對電磁波的多頻甚至寬頻吸收。多頻以及寬頻吸收主要源于不同頻率的電磁波與不同尺寸的諧振器結構相互作用產(chǎn)生吸收峰和厚度干涉作用產(chǎn)生的吸收峰的疊加效應[6]。

SUN 等[13]設計了三峰疊加的寬頻超材料吸波體；ZHENG等[14]設計了基于花瓣結構的四頻帶強吸收吸波體；DING等[15]設計的超寬帶微波超材料吸波體，其多層結構圖和百分比形式吸收率見圖3，通過尺寸漸變的多層結構疊加，實現(xiàn)了很好的阻抗匹配，從而達到了在7.8～14.7 GHz的90%以上寬帶吸收，同時還具有極化不敏感和寬入射角特性。

圖3 多層金屬貼片結構及吸收率

2.3 多類型材料復合超材料吸波體

單一結構或類型的材料很難同時滿足日益提高的吸波材料所提出的“薄、輕、寬、強”的高性能要求，因此，需要將多種結構或材料進行各種形式的復合以獲得最佳的吸收效果。在傳統(tǒng)磁性材料吸波體中引入超材料設計理念便是其中一種有效的設計方法，由于磁性材料良好的阻抗匹配和損耗特性，再結合超材料的完美吸收和可調(diào)特性，可以顯著改善吸波材料的吸收特性。

CHEN等[17]設計了一種嵌入了頻率選擇表面(FSS)的超薄磁性雷達吸波體，其結構示意圖和反射率見圖4，其在低頻范圍內(nèi)有較好的吸收特性。

圖4 嵌入頻率選擇表面的雷達吸波體結構示意圖及其反射率

基于羰基鐵和Co2Z鐵氧體復合物，厚度2 mm時，吸收頻帶范圍為1.5～2.2 GHz，嵌入FSS并且恰當選擇FSS的單元尺寸及在原吸波體中的嵌入位置，可有效展寬原有雷達吸波體的吸收帶寬。研究表明：嵌入單層FSS時，低于-10 dB的吸收頻帶范圍為1.19～2.89 GHz，吸收帶寬展寬了1.0 GHz；嵌入雙層FSS時，吸收頻帶范圍為1.08～3.02 GHz，吸收帶寬展寬了1.24 GHz。

ZHANG等[18]設計了一種嵌入FSS的有孔磁性高分子復合物寬帶雷達吸波體，如圖5所示。

圖5 基于磁性基板的挖孔以及嵌入頻率選擇表面的吸波體結構示意圖及其反射率

通過挖孔以及嵌入FSS來調(diào)節(jié)和改善磁性吸收基底的吸波特性，在優(yōu)化了孔和FSS的尺寸后，2.4 mm厚的雷達吸波體實現(xiàn)了小于-10 dB的反射率頻率范圍為6.3～17.3 GHz，吸收帶寬幾乎是原磁性吸收基底的3.6倍，與此同時，由于挖了孔，厚度也減輕了15%。

REN等[19]在傳統(tǒng)單層Minkowski分形頻率選擇表面中引入FeCoB磁性薄膜，用實驗的方法研究了磁性材料對FSS吸收特性的影響，其結構示意圖、反射率和阻抗見圖6。

圖6 頻率選擇表面和FeCoB基磁性薄膜復合的吸波體結構以及反射率和阻抗

用激光刻蝕技術制備了鋁基FSS(AFSS)樣品，用磁控濺射的方法制備了磁性薄膜，靶材是Fe40Co40B20和SiO2。發(fā)現(xiàn)增加磁性薄膜后，-10 dB以下的帶寬增加了33.3%，從5.08 GHz增至6.78 GHz，反射率的峰值從-12.46 dB降至-38.41 dB。此3.1 mm厚雷達波吸收器相對較輕，-20 dB以下的帶寬可以達到1.85 GHz。在保持樣品總厚度基本不變的情況下，磁性薄膜可以顯著提高樣品的吸收特性。

ZHANG等[20]將超材料與傳統(tǒng)磁性吸波材料相結合，提出一種微波段的針尖狀結構磁性超材料吸波體，其結構示意圖和反射率見圖7，并進行了設計、仿真和測試研究。

圖7 針尖狀結構磁性超材料吸波體結構圖以及仿真反射率

研究發(fā)現(xiàn)，由于針尖狀結構帶來的LC諧振，將原磁性吸波體的吸收帶寬展寬了65%以上，低于-10 dB的吸收帶寬為2.4 GHz(2～4.4 GHz范圍)。與非磁性超材料吸波體不同，所提出的吸波體的能量損耗主要是磁性損耗。

3 超材料在隱身技術中的應用前景

未來越來越多類型的武器裝備需要具備隱身能力，隱身技術是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中具有巨大戰(zhàn)術價值和戰(zhàn)略威懾作用的一項技術，主要包括雷達隱身、紅外隱身、射頻隱身、光學隱身以及聲學隱身等隱身技術[23]，在這些隱身技術方面，超材料都有著巨大的應用價值。

超材料研究從提出至今歷經(jīng)20余年，得到了突飛猛進的發(fā)展。文獻[24]將其電磁超材料技術的發(fā)展分為了3個階段，即第1階段為等效媒質(zhì)超材料,第2階段為人工表面等離激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)超材料,第3階段為信息超材料。3個發(fā)展階段，從傳統(tǒng)到智能可調(diào)，各階段超材料在隱身技術領域都有著非常廣闊的應用前景，見表1。

表1 電磁超材料技術的發(fā)展階段及其在隱身技術中的應用

等效媒質(zhì)超材料利用諧振吸收實現(xiàn)特定頻帶甚至寬帶吸波，能夠應用于裝備吸波結構設計；SPP超材料實現(xiàn)對反射或者透射相位的調(diào)控，可以應用于射頻通信、天線等技術；信息超材料通過對電磁波的靈活操控、可編程，可以應用于智能隱身，能在寬頻帶和寬角域內(nèi)降低雷達散射截面(RCS)。其中，信息超材料應用于隱身技術是采用了一種新穎的降低RCS的機理[25-26]：通過優(yōu)化設計超表面的編碼排布，將入射電磁波漫反射到空間各個方向,并且在每個方向上散射波能量都很小，形成低散射波。

超材料在隱身技術領域有著廣闊的應用前景，但其走向?qū)嵱没壳斑€面臨著一定的挑戰(zhàn)，其若干挑戰(zhàn)及發(fā)展建議如下：1)進一步拓寬應用頻帶，實現(xiàn)高低頻兼顧是一大難點；2)多功能復合，如可以與常規(guī)蒙皮技術結合，形成隱身蒙皮技術，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，在不改變現(xiàn)有裝備外形特征和動力學性能的情況下，使裝備具有隱身性能，還可以考慮與防除冰等其他功能相結合，進一步拓寬超材料的應用范圍；3)兼顧力學性能，考慮實際裝機時的承載能力，滿足力學要求；4)考慮實際生產(chǎn)、測試、維護性能，可以實現(xiàn)大規(guī)模的高效、低成本加工，出現(xiàn)損傷時，能夠進行快速檢測和修復。

4 結束語

近些年來已有大量關于超材料吸波體的研究，通過設計成不同的結構形式，實現(xiàn)了低頻化、寬頻帶、強吸收、大角度、極化不敏感、智能可調(diào)等優(yōu)異的性能，使吸波材料設計實現(xiàn)了巨大的飛躍，其所具有的優(yōu)良的吸波特性和巨大的應用價值使其在雷達天線、隱身、電子對抗等許多裝備技術領域均擁有巨大的發(fā)展空間和應用潛力，其前景廣闊并且影響深遠，可大大提高武器裝備系統(tǒng)及作戰(zhàn)平臺的生存能力，進一步推動武器裝備的發(fā)展。