超材料吸波体设计方法研究进展∗

董志涛 王 强 王 岩 黄小忠

（1.北京航天发射技术研究所 北京 100076）

（2.中南大学航空航天学院 长沙 410083）

（3.新型特种纤维及其复合材料湖南省重点实验室 长沙 410083）

超材料吸波体设计方法研究进展∗

董志涛1王 强2，3王 岩2，3黄小忠2，3

（1.北京航天发射技术研究所 北京 100076）

（2.中南大学航空航天学院 长沙 410083）

（3.新型特种纤维及其复合材料湖南省重点实验室 长沙 410083）

超材料吸波体是一种新型的人工设计的电磁材料，为雷达隐身提供了新方法。论文综述了单频、多频、宽频及智能可调超材料吸波体的设计方法，并阐述了各类超材料吸波体的吸波机理；对当前超材料复合传统吸波材料吸波体进行分类，并详细综述了各类复合吸波体的设计方法。最后对超材料吸波体及超材料复合吸波体的发展方向进行了展望。

超材料吸波体；多频带；宽频带；复合吸波体

ClassNum ber TB34；TB383

1 引言

随着无线电技术的飞速发展，电磁波技术都得到了广泛应用。与此同时，电磁波辐射带来的威胁愈发严峻。尤其在军事应用上，雷达探测，电磁干扰，电磁压制等手段必将成为未来战场上的有利手段。吸波材料是当前应对电磁威胁的重要手段之一［1］。然而，随着电磁波技术的不断提高，传统的涂覆型以及结构吸波材料因为厚度大、质量大、不易调节等缺点难以实现较高的吸波效果。实际应用中迫切需要具有厚度小、密度低、易调频等优点的吸波材料。

近十年以来，超材料吸波体是一种新型的人工设计的吸波材料。因其厚度薄、质量轻、易调节等优点引起广大学者的关注。狭义上，电磁超材料是指同时具有负介电常数和负磁导率的左手材料［2～3］。广义上，电磁超材料包括单负材料（负介电常数或负磁导率）以及其它有超常规物理性能的人工材料。2008年Landy等［4］将金属谐振及微带线置于介质板两侧，首次设计出完美吸收体。自此有关超材料吸波体的研究被广泛展开，大量超材料吸波体的设计被报道。按吸波机理分，超材料吸波体主要分为介质损耗型、磁损耗型及电阻损耗型。人工设计的超材料吸波体，巧妙利用各种损耗，可以在指定频率范围内实现单频、多频、宽频甚至调频吸收效果。但目前超材料吸波体作为一种新兴吸波材料，在技术及工艺上尚不完全成熟，仍不能完全取代传统吸波材料。但其轻质、可调节的良好性质备受学者们的青睐。近几年，诸多学者研究表明利用超材料在一定程度上可以提高传统吸波材料的吸波性能。有关超材料与传统吸波材料复合的超材料吸波体的研究已被大量报道，但目前尚没有被综述。

2 超材料吸波体研究进展

吸波超材料为具有周期单元结构的人工材料，由介质基板及两侧金属单元结构构组成。金属谐振型超材料以金属结构电谐振以及两金属单元之间的磁谐振为主要谐振方式［5］，以介电损耗为主要损耗方式。吸波体的谐振频率主要依赖于金属谐振单元的结构设计，经过特定的结构设计，可以实现频率选择性吸收效果。将超材料技术与有源加载技术结合，可以将介电损耗和电阻损耗叠加，从而达到多频、宽频及调频吸波效果。

2.1 单频带超材料吸波体

2008年，波士顿大学Landy首次提出基于超材料的吸波体概念［4］。如图1所示，该吸波体采用“三明治”结构，周期单元结构由上层金属谐振环、介质损耗层和底层不连续金属导线组成。该超材料吸波体在11.65GHz处出现99%的“完美”吸收峰。

图1 Landy等［4］首次提出的吸波超材料单元结构

如图2所示，Padilla 等［6］则通过将底层的金属导线改为金属背板，设计出了简化的谐振单元结构。基于等效煤质理论，Landy等［5］还揭示了超材料“完美”吸收体的物理机制。从此，超材料吸波体引起国内外学者的关注。随着超材料研究的发展，相继出现了基于十字形结构［7］、花瓣形结构［8］、树枝状结构［9］等的周期结构超材料吸波体。

图2 Padilla等［6］设计的简化的吸波超材料单元结构

2.2 多频带超材料吸波体

超材料吸波体具有良好的频率选择特性。那么通过结构设计，使得超材料在有限大小的单元内尽可能产生多重谐振是多频吸波材料良好的设计方法。就目前国内外研究，多频吸波体研究方面，常用的有四种方法：1）设计具有多重谐振的复杂单元结构。Xu等［10］设计的复杂传输线吸波超材料在1～12 GHz内实现三频吸收效果；Ye等［11］设计的多开口谐振环在6～18 GHz实现了三频吸收；Islam等［12］设计的开口H-type结构吸波体在2～15GHz内拥有四频吸收峰。2）将若干个结构尺寸不同但拓扑结构相同的谐振单元以同心嵌套或以棋盘形式放置，从而产生多频的吸收效果。Huang等［13］采用三个同心方环单元结构实现了三频吸收；Park等［14］将不同大小的圆环谐振子棋盘式放置获得了三频吸波超材料。3）通过加载电子元器件增加吸收频点。惠忆聪等［15］通过在谐振结构开口处加载电阻获得了双频吸波超材料。

2.3 宽频带超材料吸波体

在宽频超材料吸波体设计方法方面，可以分为三大类。1）通过对单元结构的设计，使得多个谐振叠加在一起整体产生宽频吸收效果。如Huang等［19］用三个不同尺寸的I-type结构组成吸波单元，通过调节结构尺寸使三个吸收峰叠加，最终产生0.899～0.939 THz的宽频吸收效果。2）依据电磁波的反射相消原理，采用多层超材料结构，通过调节每层超材料结构使吸波单元有理想的折射参数，从而实现宽频吸收。Sun等［20］采用多层SRRs结构实现了在10～70 GHz内吸收率＞90%的超宽频吸收；Xiong等［21］采用四层结构设计的宽频吸波超材料实现了在8.37～21GHz内全频吸收90%以上的良好性能。3）在结构设计的基础上，引入电阻膜、表面电阻等，使超材料在较宽频带范围内与自由空间形成阻抗匹配，从而实现宽频吸波。此类超材料以电阻损耗为主。如程用志等［22］将正方形金属贴片和电阻型频率选择表面（FSS）结合，所构成的吸波体在3～25GHz之间吸收率大于90%以上。Shang等［23］在双方环开口处加载表面电阻使带宽增加到126.8%。基于上述思想，Costa等［24］和Zabri等［25］也设计了宽频吸波超材料。

图3 多重谐振结构单元

图4 棋盘式阵列结构单元

2.4 智能可调超材料吸波体

随着科学技术的发展，电磁环境越发复杂。尤其是未来信息战对装备隐身提出了功能化、智能化的需求。“死板”的多频、宽频吸波材料都不能满足未来的切实需要。超材料吸波体的研究方向逐步转向智能化。现有研究中主要通过加载智能元器件、材料智能和机械辅助可调来实现智能吸波。Zhao等［26］通过在结构开口处加载变容二极管，实现了可调带宽为1.5GHz的智能调频；Wen等［27］则在超材料上加载温变材料氧化钒薄膜实现了智能调频。机械可调是目前较易实现的智能化方法，该方法首先要设计可变的单元结构，而后借助机械等一些手段将其智能。Wang等［28］设计的吸波材料，经移动可动部件的位置实现了2.11～2.59 THz范围内的调频；而Zhang等［29］借助机械臂设计出了调频带宽为410MHz的可调吸波超材料。

3 超材料复合传统吸波材料吸波体

虽然现有的吸波超材料研究已经有长足的进步，但由于现有的超材料稳定性差、加工工艺复杂、材料本身难以适应复杂环境等缺点，超材料尚不可完全替代传统吸波材料。传统吸波材料仍然是重要的吸波手段，如何拓展吸波频带，增加吸波频点，增强吸波性能已经成为现阶段重点研究内容。针对当前存在的不足，近几年，为了获取很好的吸波材料，学者们将超材料技术与相关技术结合设计复合型超材料吸波体，并取得了一定的成果。

3.1 基于传统吸波材料的频率选择表面

此类超材料吸波体将频率选择表面技术应用到磁性基板，由磁性吸波材料基板和基板上设计的周期谐振结构组成。该类吸波体可以将超材料频率选择便面窄带吸收特性和传统吸波材料宽频吸收特性相结合。通过人工设计将介电损耗和基板磁损耗结合，从而达到增加吸收峰或者适当拓宽吸波带宽的目的。2009年，Huang等［30］在磁性基板上设计金属方块阵列，获得了8.3～9.7 GHz宽频吸波超材料表面，并揭示了磁性基板超材料表面的吸波带宽极限与磁性基板厚度的关系，拉开了该研究的序幕；Lim等［31］设计的基于磁性基板的超材料频率选择表面，如图5（a），由在羰基铁粉/树脂基板及其表面的开口方环金属结构组成，实现了双频吸收效果；如图5（b），Zhang等［32］在磁性橡胶基板上设计十字针型谐振结构，有效地增加了吸收带宽。经优化设计，该吸波体在低频处实现2～4.4GHz的宽频良好吸收。Cheng等［33］和Deng等［34］也分别设计了宽带可调吸波超材料和超薄宽带吸波超材料。

3.2 叠层式超材料复合吸波体

基于磁性基板的FSS虽然实现了宽频吸波效果，但其工艺复杂吸波带宽远不能满足当前及未来的实际需要。近几年有学者将FSS直接与磁性吸波材料直接复合，构成吸波体。如图6，Zou等［35］利用SRRs和金属带对磁性吸波材料改进，使其吸波频带向低频移动，并在一定程度上拓宽吸收带宽；如图7，Yuan等［36］将方环超材料结构夹在磁性吸波材料中间，所制备的复合吸波体在4～18 GHz内吸收率大于90%，吸收带宽是传统超材料的2.7倍；Sun等［37］则将电阻型FSS嵌入到磁性吸波材料中制备了一种轻型复合吸波体，该吸波材料在3.19～18 GHz范围内反射损耗小于-10 dB。Zhang等［38］和Li等［39］也采用上述设计方法分别获得了良好宽频复合吸波体。

图5 （a）Lim等［31］设计的双频吸波材料；

图6 Zou等［35］设计的双频超材料吸波体

3.3 三维超材料复合吸波体

随着超材料技术的发展，超材料与传统吸波材料的复合不局限于二维层式复合，近几年有诸多关于三维超材料复合吸波体的报道。此类超材料吸波体特点在于赋予吸波体三维结构，不仅有利于降低厚重吸波材料的用量，而且有利于拓宽吸波频带。如图8，Li等［40］将超材料垂直放置于平板磁性吸波材料上，所获得的复合吸波体4～18 GHz吸收率均大于90%；Zhong等［41］利用三维结构设计，仅用介电常数近似“0”的介质材料获得了完美吸收体；如图 9，Huang等［42］将带有“H”型金属结构的 PCB贴附于蜂窝内侧，获得的宽频吸波体在2.3～18GHz内吸收大于90%。相比纯吸波蜂窝，超材料的使用拓宽了7GHz的吸收带宽。上述研究表明，经过合理的结构设计，超材料技术与可以有效增强吸波材料的吸波性能。

尽管国内外研究表明，超材料复合传统吸波材料可以有效增加吸收波段，拓宽吸收带宽等，但目前研究中加载超材料只被作为一种提高吸波性能的手段，对叠层式复合吸波体来说，厚重任然是吸波体主要组成部分。因此，当前设计任不能有效解决吸波体质量大的问题。三维复合吸波体虽然有效减轻吸波体质量，但工艺复杂尚不利于实际应用。其次，现有的超材料复合传统吸波材料吸波体中，在波矢方向上，超材料和传统吸波材料之间有不可避免的相互作用，使得超材料难以实现良好的频率选择特性。因此，当前的复合吸波体也难以很好地兼顾频带可调性。新型的复合方式应该尽量减小厚重的吸波材料的比重，尽可能有效发挥超材料的频率选择特性。未来的复合吸波体应该在实现良好吸收的同时，也要兼顾吸波体的重量以及频带的可调性。

图7 Yuan等［36］制备的复合超材料及反射率

图8 Li等［40］设计的三维超材料复合吸波体及吸收率

图9 Huang等［42］设计的三维超材料复合吸波体及反射系数

4 结语

从超材料设计方法的角度，分别综述了单频、多频、宽频及智能调频吸收超材料的国内外研究进展。研究表明当前超材料的研究已经取得长足的进展，但仍然不能满足未来智能隐身的需求，有关智能调频超材料吸波体的研究仍需大量进行。详细综述了当前国内外有关超材料复合传统吸波材料吸波体的设计方法。研究表明超材料的复合一定程度上可以增强传统吸波材料的吸波性能。但目前研究主要局限于超材料与吸波材料的叠层式复合以及三维复合吸波体的设计。这两种设计方法尚不能兼顾吸波体重量及灵活可调的问题，不利于实际应用。新的复合结构应该被尽早提出。超材料复合传统吸波材料吸波体一定程度上可以有效将超材料和传统吸波材料的优点叠加，有取长补短的作用，是未来吸波材料重要的发展趋势之一。超材料与传统吸波材料复合的吸波体也将有利于新型智能吸波材料的发展。

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Review on Design MethodsofMeta-material Absorbers

DONG Zhitao1WANG Qiang2，3WANG Yan2，3HUANG Xiaozhong2，3
（1.Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076）
（2.Institute of Aeronauticsand Astronautics，Central South University，Changsha 410083）
（3.Hunan Key Laboratory of Advanced Fibersand Composites，Central South University，Changsha 410083）

Meta-materials absorbers are novel artificial electromagnetic material，which provide new approaches for radar stealth.In currentpaper，the single frequency，multi-frequency and broadband and intelligentadjustablemeta-materialswere summarized，and the absorbingmechanisms of them were also expounded.Composite absorbers consistofmeta-materials and traditionalabsorbingmaterialswere classified and themethods of them were summarized in detail.Finally，the prospects ofmeta-materials，in particular intelligentadjustablemeta-materials，were believed sufficiently.The expectation ofmeta-materials and meta-materials composite absorbingmaterialswas presented.

meta-materialsabsorbers，multi-band，broadband，composite absorber

TB34；TB383

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.031

2017年3月10日，

2017年4月27日

国家自然科学基金项目（编号：51074193）资助。

董志涛，男，硕士，工程师，研究方向：特种车辆的研究。王强，男，硕士，研究方向：超材料吸波体设计。王岩，女，博士，教授，硕士生导师，研究方向：粉末冶金高温合金、3D打印超材料。黄小忠，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：隐身材料、功能-结构一体化复合电磁理论及材料。