雷达波屏蔽隐身与光学透明兼容技术研究进展

石晓飞，侯焕然，金扬利，黄友奇，王衍行，祖成奎

(中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024)

0 引 言

随着电子技术的发展，各类电子仪器、设备在军事和社会生活中的应用日益广泛，电磁波的屏蔽、隐身、抗干扰问题也应运而生。其中，在一些具体的应用场景如飞机舱室玻璃、机站窗口等，要求吸波材料不仅要具有良好的吸收性能，还要保持良好的透光性。因此，超宽带性能和高透光率材料的研究与开发成为电磁隐身屏蔽材料领域的热点问题之一[1-2]。

微波吸收是雷达截面积(radar cross section，RCS)减小的有效途径，然而，传统的吸波材料(如碳粉、铁氧体等)一般不具有光学透过性，这严重限制了其在透明场景的应用。目前，光学透明电磁屏蔽通常是利用透明导体反射入射电磁波来实现的。透明导电薄膜是一种具有高导电性和高透光率的基础光电材料，被广泛应用于光电子器件。典型的透明导体有铝掺杂氧化锌(AZO)、铟锡氧化物(ITO)、银(Ag)、金(Au)等。其中，ITO薄膜是一种n型半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性，是透明导电领域(尤其是高频领域)使用最广泛的电阻材料。在可见光范围内，ITO薄膜的透光率与导电性成反比，也就是说，ITO薄膜厚度越大，电磁波吸收性能(尤其对于低频电磁波)越好，透光率则降低。用于飞机视窗的材料需同时具有高透光率和强吸波性能，ITO薄膜在用作飞机视窗材料时面临着极大难度，往往需要通过特殊的结构设计、尺寸优化、与其他材料复合等策略来改善[3-5]。因此，一系列新型透明导电材料应运而生，如金属网栅、金属(Ag等)纳米线、石墨烯复合导电薄膜等。

透明导电金属网栅薄膜作为一种新型透明导电膜兼具材料与结构两方面的设计优势，具有较好的抗弯折性，因此金属网栅被视为替代ITO薄膜的强有力竞争者。但是，由于金属线遮拦光学频段，金属材料抗激光损伤阈值低，还不能满足位相光栅的衍射条件，这也是其在实际应用场景中存在的问题[6-7]。石墨烯(单层或少层)是一种光学透明材料，在较低频率下导电性良好，结合玻璃等透明基底材料进行设计，石墨烯在光学透明吸波方面有很大的应用潜力，然而，在实际应用上也存在一些缺陷和障碍，如单层石墨烯对电磁波的吸收有限,大面积高质量石墨烯生长困难等[8-10]。近年来，人们提出了人工结构材料-超材料来调控电磁波、光学和等离激元波的传播，在亚波长尺度上为工程光-物质相互作用提供了前所未有的研究选项，在透明基底或透明导薄膜上有效设计超材料吸波体的几何参数，可同时有效调控其介电常数和磁导率，在一定频率下实现近完美的电磁波吸收。在超材料结构中，单一结构的吸收带宽比较窄，为了展宽频带，大多数研究者使用多层复合超材料和单层不同微结构材料来实现双波段或多波段吸收电磁波，拓展吸收带宽。超材料的电磁性能主要取决于层上排列的周期性谐振单元，对于多层结构，周期性谐振单元的精确对位将极大地影响到材料的电磁性能，因此拓扑结构的设计和大面积精密加工是超材料实现特定透明吸波性能的关键和难点[11-14]。

一般而言，透明导电材料的光学性能和电磁性能是一对相互矛盾的关系，同时实现高透光率和强电磁屏蔽/吸收性能，对材料特性和制备手段等都有严苛的要求。因此，在设计透明吸波体时，需要不同材料、结构和技术手段等多方面的配合来满足实际需求。本文归纳了近年来雷达屏蔽隐身与光学透明兼容技术的最新研究进展，分析了不同材料、结构和技术手段的优势与不足，为高效实现透明屏蔽隐身提供思路和参考。

1 ITO、金属网栅及其他透明吸波材料与技术

1.1 ITO基材料及复合结构

在保证光学透明度的基础上，利用ITO电阻薄膜构建谐振结构，诱导高欧姆损耗，拓宽谐振带宽，可显著提高材料在宽电磁频带内的吸收能力。吸收机理主要是电路谐振，与电磁谐振相比，电路谐振更容易实现。

中北大学张斌珍团队提出了一种基于ITO薄膜的复合谐振结构来构建具有超宽带吸收特性的光学透明吸波体[15]。复合谐振结构由十字形和方形环交叉排列而成，与单一周期结构相比，提高了谐振质量，表现出宽带吸收特性。吸波体由三部分组成,顶部为周期性ITO谐振结构溅射在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上，中部为透明介质层，如空气、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，底部为连续ITO衬底溅射在另一PET衬底上，形成三明治结构(见图1(a))。所有构成材料都具有优良的光学透过性能，大大提高了整体透明度。吸波体在8～30.3 GHz宽频带内的吸收率达到90%以上，可覆盖机载和监视雷达信号频率的X和Ku波段。此外，在不改变谐振结构模式的情况下，研究者分别用柔性PDMS和刚性PMMA介质层代替中间空气层，测量结果与仿真结果吻合较好，可分别应用于有共性需求的场景和隐身军备窗口玻璃，为透明隐身系统和电子射频应用领域的应用提供了更多的灵活性选择。最近，该团队又通过叠加多层高透过率ITO电阻薄膜，设计了一种基于柔性多层结构的透明超宽带微波吸收谐振结构[16]。该谐振结构由ITO在柔性衬底PET上的电阻薄膜图案构成，调整谐振层ITO图形尺寸和阵列位置排列使吸收率大于90%，此时超宽频吸收频率范围增加至8.6～75.8 GHz，相对吸收带宽达到159%。同时，采用透明的柔性介质PDMS和PET衬底，体系获得了良好的光学透过率(见图1(b))。由于阻性薄膜共振模式的四重对称性，吸波体表现出较高的偏振不敏感性，当入射角增加到40°时，对TE和TM极化波的吸收率大于80%。该谐振结构吸波体具有超宽带吸收特性和宽入射角稳定性，在雷达隐身系统和透明电磁屏蔽等领域具有潜在的应用价值。西安交通大学陈娟课题组也采用类似的方法，利用ITO多层膜结构来实现宽带吸收，在3～24.5 GHz对TE波和TM波吸收率均达80%以上，对斜入射波具有偏振不敏感性和自适应特性[17]。在此基础上，他们以PVB和玻璃为衬底制备了超宽带透明吸波体，新奇之处在于可通过玻璃来调节吸波体与空气之间的阻抗匹配，实现超宽带吸波[18]。国外的学者也提出过类似的设计思路。Sheokand等[19]提出了一种基于叉指电容谐振器的偏振不敏感光学透明宽带吸收器。通过准分子激光微加工技术进行设计，在柔性PET表面制备了叉指电容(IDC)结构的ITO薄膜，如图1(c)所示，利用该结构有效调制表面电导率，优化阻抗匹配，使吸收带宽显著增加，在4～17.20 GHz保证了90%以上的吸收率，覆盖C、X和Ku波段，相对带宽达到124.53%。该结构同样表现出较高的偏振不敏感性，在40°入射角下仍保持了85%以上的TE和TM极化波吸收率。

谐振结构在宽电磁频带内高吸收的机理主要是电路谐振，与电磁谐振相比，诸如上文所述的电路谐振更容易实现。西安电子科技大学史琰课题组[20]设计了一种可同时利用电磁谐振和电路谐振来实现光学透明的宽带微波吸收结构，如图1(d)所示，吸收单元是带有空气间隔层的两层结构，每一层都是由ITO薄膜、PET片材和PMMA基底组成的夹层结构，顶层设计了齿形ITO薄膜，底层则采用方形ITO薄膜。吸波体在4.8 GHz和13.6 GHz处产生两个谐振频率，分别对应电磁谐振和电路谐振，宽吸收带频率为3.86～15.04 GHz，覆盖S、C、X和Ku波段，分频带宽为118.3%。他们提出的吸收体具有低剖面、偏振不敏感和角稳定等优点，制作的吸收体样机的测试结果与仿真结果吻合较好。

图1 不同的谐振结构示意图。

前述基于ITO的谐振结构的新颖之处在于具有较大的吸收带宽、较低的厚度以及在较宽入射角范围内的高吸收能力。这是因为ITO是一种阻变材料，主要通过ITO产生的欧姆损耗实现高吸收，通过设计谐振结构，可以实现对入射电磁波的有效吸收而不是偏振转换。

ITO基透明吸波体一般在薄的PET、PMMA、PDMS、PVC或PVB等透明介质上图形化的ITO拓扑结构组成。在典型的设计结构中，不同方块电阻的ITO片可分别充当顶层拓扑和背板，具有小方块电阻的ITO薄膜则像金属一样工作，这样可以保证传输能量尽可能小。而在多层设计中，顶、底“透明介质-ITO薄膜”分别采用空气或PMMA等材料进行分离，这样，透明吸波体除了具有光学透明特性外，还具有宽吸收带宽、薄厚度、偏振不敏感和入射角稳定性等优良性能。

中国科学院大学罗先刚团队设计了一种由三层ITO薄膜和两层PVC基片间隔而成的灵活透明的微波-红外双隐身结构[21]，如图2(a)所示，顶层ITO薄膜是同时实现红外波段低发射率和微波波段高透明性的红外屏蔽层，采用周期性阻性贴片阵列构建的中间层ITO薄膜作为微波吸收层，底层ITO薄膜与顶层ITO薄膜具有相同的表面电阻，作为微波吸收层的背反射镜。所有ITO薄膜均沉积在超薄PET衬底上，采用两种相同厚度的PVC基片作为间隔层，以支撑光学透明性好、柔性大的ITO薄膜。该结构具有宽角度(40°)、宽频带(7.7～18 GHz)、高效率(>90%)的吸收特性。此外，利用该结构覆盖金属柱，在7.5～18 GHz，雷达截面可降低10 dB。该结构在红外大气窗口内的热发射率约为0.23，与金属接近。该结构可以同时实现微波波段的高吸收、红外波段的低发射和光学透明。类似地，南京航空航天大学王毅课题组[22]通过在柔性PET层上刻蚀多层周期性ITO结构实现超宽带电磁吸收。吸收单元为四层结构(见图2(b))，每层结构均由阻性ITO薄膜结构组成，并由PET层支撑，上三层由两个大小不等的方形环片组成，这些结构都是由方块电阻为100 Ω/sq的ITO薄膜制成，底层采用方块电阻为6 Ω/sq的ITO薄膜代替传统的反射式金属基板。该电磁吸收体在3.72～42.42 GHz具有90%以上的吸收率，覆盖从C波段到Ku波段的超宽频带，具有偏振不敏感性和角稳定特性，可以更好地用于宽带电磁隐身。

除了多层结构设计，简单夹层结构的ITO基透明吸波材料也具有优异的性能。西北工业大学殷小玮团队[23]设计了一种将双层交叉图案ITO薄膜夹在两个透明柔性PVC层中的夹层结构(见图2(c))，夹层元结构能够增强吸波材料与自由空间的阻抗匹配，减小电磁波在表面的反射，交叉图案周期性排列的ITO电阻膜可诱导高欧姆损耗，拓宽谐振的带宽。当入射角小于30°时，该夹层吸收器在8～18 GHz对TE和TM波偏振均能实现90%以上的吸收。在波长大于532 nm时，光学透过率达到80%以上，在可见光的整个波长范围(400～800 nm)内的平均光学透过率为80.2%。北京大学固体力学研究所采用由两层ITO和一层中间玻璃组成的夹层结构，制备了一种透明、电调谐的透明吸波电磁防护和隐身材料[24]。吸收器由三层结构组成(见图2(d))，顶层为表面电阻为3.13 Ω的图形化ITO，中间层为玻璃基板，底层为与顶层表面电阻相同的完整ITO层，有效工作频率范围在S波段，覆盖了WiFi等众多电子设备的共同频段。而且，这种材料的吸波性能可以通过改变外加电压来实现电子可调，主吸收峰可高达90%，可调幅度范围为30%，可调频带范围为1 GHz。样品在可见光下的透过率为80.23%，在2.6～3.95 GHz频段，电磁屏蔽效能大于30 dB。频率可调谐是该材料的特别之处,类似“ITO/介电/ITO”夹层的结构通过适当调整ITO的结构参数和方块电阻，实现了大于90%的宽微波吸收带(5.8～8.3 GHz)，通过调节ITO部分的填充比例，获得了0.52的低发射率，也就是说，不需要特殊的红外屏蔽层来降低红外辐射，可实现透明-雷达-红外隐身兼容[25]。此外，国内外其他学者还设计了“方形ITO薄膜贴片/苏打石灰玻璃/PEC”夹层结构、“ITO涂层PET片/PDMS/ITO涂层PET片”夹芯结构、“ITO开环结构PET片/PMMA/连续ITO薄膜PET片”三明治结构、“方形镂空ITO层/石英玻璃/方形ITO贴片层”三层结构等夹层体系，都具有较好的光学透明和宽带微波吸收性能[26-29]。

图2 不同的多层、夹层结构示意图。

增强电磁波吸收的途径除了对ITO薄膜进行图形化和复合结构设计，还有对ITO材料组成进行调控。例如采用非平衡磁控溅射的方式对ITO进行铌掺杂来实现隐身效果，研究发现，具有外形隐身效果的铌掺杂ITO镀膜玻璃的RCS曲线分布规律与对应金属板基本一致，且在不同入射频率、不同极化情况下均具有外形隐身效果[30]。

1.2 金属网栅结构

金属网栅是具有一定周期、线宽等参数的导电网栅状微细结构，由于其周期远小于电磁波长，因此网栅有电磁屏蔽的功能；而其周期远大于近红外/可见光波长，对光学性能影响较小，因此网栅能够在屏蔽电磁波的同时保证一定的透光性。金属网栅一般利用银等金属材料在玻璃或PET薄膜上制备由相互连接的金属线构成的网栅图案，结构参数和材料选择具有多样性，能够同时实现良好的透光性和电磁屏蔽效能，是目前理想的透明电磁屏蔽技术解决方案之一[6-7,31-32]。

青岛理工大学兰洪波课题组[33]结合微尺度增材制造工艺和高性能纳米银浆的优势，提出了一种基于电场驱动喷射沉积3D打印制造大尺寸、高性能金属网栅透明电磁屏蔽玻璃的新方法(见图3(a))。通过试验揭示了打印速度对金属网栅(线宽和形貌)的影响规律和打印金属网栅线宽、周期对光学透过率、电磁屏蔽效能的影响规律。以高银含量(质量分数为80%)的纳米银浆(黏度高达20 000 mPa·s)为打印材料，在玻璃基板上制造出大面积金属网栅(100 mm×100 mm，线宽20 μm)。其中，当金属网栅周期分别为500 μm、300 μm和150 μm时，网栅的可见光透过率分别为88%、83%和67%，对应的常用中高频电磁波的屏蔽效能为26 dB、30 dB和37 dB。与现有使用纳米压印、光刻、激光直写等技术制造金属网栅透明电磁屏蔽玻璃相比，该方法工艺步骤简单，容易实现透明电磁屏蔽玻璃的大面积、高效、低成本和批量化制造，尤其能同时兼顾高可见光透过率和强电磁屏蔽效能，为大尺寸、高性能透明电磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了一种全新的解决方案。西安工业大学徐均琪团队[34]采用光刻掩膜技术、电阻热蒸发沉积技术，在理论分析的基础上，借助CST Studio Suite电磁仿真软件设计，探究了网栅制备的最佳工艺，分析了线宽和周期对网栅透光率和屏蔽效能的影响。在12～18 GHz，金属网栅的电磁屏蔽效能达到12 dB以上，透射率损耗大约8%(见图3(b))。新加坡南洋理工大学的Lee等[35]在钠钙玻璃表面，采用高光学透过率的金属网格制作透明电极，并与ITO相结合，制备出一种X波段宽带吸收性能稳定和光学透过率高的透明吸波结构(见图3(c))。

图3 网栅制备基本原理及网栅结构示意图。

实际上，在电磁仿真模拟所用的金属网栅膜光电特性公式中，材料无限导电的假定条件与客观事实不符，无法准确预估薄膜型金属网栅的电磁屏蔽效能。即便采用电导率较高的金属材料，在20 GHz以下的频段，薄膜型金属网栅的厚度也难以达到材料的趋肤深度，而且薄膜型金属网栅往往与光学基底间有连接层，金属网栅的外层也需制作环境保护层(或氧化层)，镀膜工艺形成的金属层与块状材料电导率的差异较大，因此，用材料无限导电理论模型准确预估薄膜型金属网栅的电磁屏蔽效能是极其困难的。为寻求准确评估薄膜型金属网栅电磁屏蔽效能的方法，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所冯晓国团队[36]探索了薄膜型金属网栅在某频段的电磁屏蔽效能。根据屏蔽效能受感应电压和电阻比控制的理论，借鉴连续导电膜用方块电阻计算屏蔽效能的方法，提出了预估薄膜型金属网栅屏蔽效能的方法并给出了具体步骤。采用激光直写工艺流程制备了薄膜型金属网栅，验证了理论计算结果与试验结果的一致性。

此外，在改善金属网栅视野方面，研究者也做了探索。中国电子科技集团第三十三研究所马志梅等[37]采用纳米复合电镀工艺，将碳纳米管均匀地附着在金属网栅表面，发现金属网栅在10 kHz～1 GHz频段的电磁屏蔽效能提高了3～5 dB，可见光透光率降低了5%，金属光泽有所消除，有效改善了可视性能。采用纳米压印和划痕填充技术制备的MXene网栅雷达隐身薄膜，在X波段具有良好的透明性和较高的透波率，同时，这种柔性薄膜也能适应复杂表面的需求[38]。除了规则的金属网栅，有研究者巧妙利用裂纹模板法制备随机网格状金属网栅透明导电薄膜，即用水性丙烯酸树脂稀释液作为掩膜液，将掩膜液涂覆在玻璃基板上形成薄膜，干燥后得到开裂模板，然后采用磁控溅射法进行金属沉积，最后洗去掩膜层得到随机网格状金属网栅。所制备网栅在紫外可见光波段透过率大于90%，方块电阻为20 Ω/sq。与传统制作方法相比，这种方法的制作成本更低，工艺更简单，透光率高[39]。

1.3 其他材料与技术

除了ITO和金属网栅，研究者们还开发了其他用于透明和电磁波吸收功能的薄膜材料。

石墨烯具有对频率敏感的表面阻抗和可调谐的电导率，在太赫兹波段有广泛应用。石墨烯薄膜的光学透过率在95%以上，大于现有的吸收薄膜,其高热导率(5 000 W/mK)有利于吸收高功率微波，其超薄厚度(只有一个原子厚度)有利于紧凑设计。上海交通大学朱卫仁团队提出了一种基于石墨烯的光学透明、吸收可调的吸收器，吸收体由ITO薄膜背面的花纹石墨烯夹层结构制成(图4(a))[40]。与其他基于ITO等透明电阻材料的光学透明表面不同，石墨烯的片层电阻可以通过对夹层结构施加偏压来控制，从而实现不同工作波段的动态可调吸收。结果显示，该材料在7～18 GHz可获得90%以上的微波吸收。此外，该吸收体具有柔性，厚度仅为自由空间波长的1/15，有利于紧凑和复合设计。韩国中央大学的学者利用喷墨打印技术在PET基底上制备了透明导电环状石墨烯薄膜，并在底表面引入了光学透明的ITO导电膜，制备了一种光学透明超材料吸收器[41]。该结构在26.8～28.2 GHz吸收率达90%，并具有良好的光学透明性和偏振不敏感性，其结构示意图如图4(b)所示。喷墨打印技术具有成本低、工艺简单等优势，但基于此技术制备的石墨烯基吸波体的有效吸波频段太窄，难以实现工程化应用，仍需要进一步研究。

二氧化钛(TiO2)在可见光和红外波段具有良好的透明度和稳定性，TiO2还可在提高红外吸收的同时，不降低材料的微波吸收性能；BaTiO3具有优异的吸波性能，在微波频段介电常数ε=2 500；Fe3O4是一种常用的磁性氧化物，在EMI屏蔽方面具有良好的应用前景。最近，新加坡理工大学的学者利用这三种材料，通过高介电常数、高磁导率氧化物材料的叠层包覆，实现了无人机可见光波长至近红外信号的良好微波屏蔽设计。制备过程为：在丙烯酸基片上沉积由BaTiO3-TiO2和Fe3O4-TiO2组成的可见光和红外波段的光学透明薄膜，再对膜层进行水蒸气处理进行优化，进而获得光学性能和电磁性能最佳的材料[42]。新加坡理工大学的Soh等[43]采用溅射制备的高可见光和近红外透过率TiO2基氧化物可以有效降低吉赫兹波段的S11参数，BaTiO3的高介电常数可大大提高氧化物涂层穹顶的抗反射性能(特别是雷达X波段)，适合用作近微波区高频率抗干扰电磁屏蔽层。

具有可操控特性的透明吸波结构，能够吸收不同变化频率电磁波，同时面临重大挑战。最近，北京科技大学开发了一种新型聚合物水凝胶作为光学透明和吸波材料[44]，如图4(c)所示，以光学透明PMMA三明治结构为骨架，制备聚乙烯醇(PVA)水基凝胶(作为微波吸收和光学透明的活性材料)，底部为ITO基微波反射板。在该结构中，极性网络在电磁能量衰减方面发挥了重要作用，即通过操纵氢键网络，得到的光学透明固态凝胶能够提供吸收微波能力。有趣的是，当温度降低时，这种凝胶可以通过将非晶态转变为光学不透明状态，从而使夹层窗口在15～40 GHz具有优异的吸波能力，覆盖5G频段的分支。这项工作为利用离子导电凝胶设计和制备可操控微波隐身结构提供了一种新的策略。还有报道利用液体介质制备出了一种液控可调透明吸波结构[45](见图4(d))这种结构由透明PMMA介质层、上液体介质填充层、双方环FSS、下液体介质填充层和导电底板构成，液体介质采用矿物油白油和盐水，液体介质中添加颜料可改变结构颜色，实现变色光学伪装的目的；调节盐含量可改变盐水电导率，结合注入方式可有效提高吸波结构吸收率变化的动态范围。吸波结构不仅可以实现雷达吸波效果和吸波频段的调控，同时还有望应用于光学、红外和雷达多波段融合伪装装备。

图4 其他材料结构示意图。

基于多层超薄Ag薄膜，多伦多大学的Safari等[46]在理论和试验上研究论证了一种光学和射频透明亚玻璃结构，如图4(e)所示。这种结构以玻璃为基片，玻璃两面由相同的蜂窝状网状图案组成，网状中使用多层金属-介质光谱选择性涂层，利用两侧可见透明的Ag基导电涂层，改变玻璃基底在射频光谱中的电磁特性：采用多层介质-金属涂层，特别是5层光谱选择性涂层，可以在保持可见光透明性的同时增强元玻璃的射频透明性。该研究为利用多层金属介电光谱选择性涂层设计新型透明材料性能提供了选择，其中包括红外反射和主动电调制的光学和微波特性。银纳米线也常用于透明导电领域，阿卜杜拉国王科技大学的Li等[47]在简单经济的喷墨打印技术的辅助下对银纳米线导电网络进行图形化，制备的吸波体在X波段9.1～12.2 GHz的吸收率大于90%，在550 nm波长处的光学透过率超过83%。

纳米复合材料在电磁屏蔽领域可用于提高结构的电磁吸波性能。基于此，韩国高等科学技术研究院Choi等[48]采用优化设计方法，设计制备了分散有炭黑(CB)、碳纳米管(CNT)等碳质纳米导电颗粒的玻璃纤维/环氧纳米复合材料；通过高倍扫描电子显微镜观察碳质纳米导电颗粒在环氧树脂中的分散均匀程度，初步预选了3%(质量分数，下同)CB、2.5%CNT、3%CNT和0.3%CNT四组设计方案;测试其X频段(8.2～12.4 GHz)介电性能发现平均吸波率均保持在了90%以上；根据力学性能测试，分散有3%CNT的玻璃纤维/环氧纳米复合材料兼具高吸波性能和高力学性能，其结构示意图如图4(f)所示。

2 基于超材料的光学透明及电磁屏蔽隐身技术

与传统吸波材料不同，超材料是一种人工电磁材料，它以周期性微结构为基础，介电常数和磁导率可进行人工设计，突破了传统材料对电磁特性的局限，为材料结构的设计和制备提供了一个新的自由度。因此基于超材料的吸波体吸引了学术界的极大兴趣，通过调整超材料单元结构，在较小的厚度下，可实现宽带吸波特性。

2.1 透明宽带电磁波吸收超表面

超表面是由分布均匀的亚波长共振粒子组成的具有操控电磁波能力的人工结构，作为超材料的二维等效，超表面依靠界面场的不连续性来操纵电磁波的幅值和相位。由于微米以及纳米结构的尺寸接近可见光和红外光的波长，因此超表面拥有许多自然材料无法实现的光学性能，譬如负折射率、超级吸收以及超越散射极限的光学聚焦。这些物理性质赋予了超表面巨大潜力，根据具体应用的要求，超表面的光学响应往往需要被设计为不同的波段。以下介绍近年来超表面在透明吸波和电磁屏蔽方面的研究及应用。

近年来，数字编码超表面的概念被提出来，它是用数字来描述电磁特性。在数字编码超表面中，采用二进制编码来计算编码粒子的反射相位差，在设计不同的编码序列后，超曲面可以实现波散射、随机扩散、反常反射等多种功能。目前，主要利用光学非透明材料(如常规介质基板上的铜或铝等)对编码超表面开展研究，而光学透明的超表面具有更多操纵电磁波的能力。东南大学崔铁军院士团队提出了一种利用导电ITO薄膜设计光学透明编码超表面的方法(见图5(a))[49]；利用周期相位梯度序列设计的反常反射编码超曲面能够将正常入射的电磁波反射成一定的反常角度，通过对随机编码序列的超表面进行优化，设计的随机扩散编码超表面在11.5～12.5 GHz可以实现至少7.8 dB的后向RCS缩减；仿真和试验结果的一致性有力地验证了光学透明编码超表面对反常反射和RCS减缩的优良能力。该方法具有结构简单、生产过程简单、对电磁波具有良好的控制能力等优点，可用于设计具有其他新功能的超表面，如偏振转换、超材料吸收体、光学透明的隐身衣等。哈尔滨工业大学朱嘉琦课题组提出了基于遗传算法的拓扑优化方法，并将其应用于柔性透明宽带超材料吸波体的快速高效设计(见图5(b))[50]；采用二进制编码和实数编码相结合的方式，缩短了编码长度，提高优化的收敛速度，实现了5.3～15 GHz的宽频带90%以上的吸收率，其最低截止频率下的厚度为0.109 λL，TE模和TM模的宽带吸收分别保持在45°和70°以内；该吸波体具有灵活、低剖面、偏振不敏感、斜入射稳定和高光传输以及宽带吸收等特性，具有潜在的应用前景；拓扑优化设计方法可以根据具体工程需求，快速高效地对吸收体进行设计。

电磁多极子能够在超表面产生丰富的电磁相互作用，并提供另一个自由度来控制电磁响应。华中科技大学黄黎蓉团队[51]利用电磁多极干涉工程设计了一种光学透明、柔性和宽带微波超表面吸收器(见图5(c))，它由PDMS衬底上ITO亚原子的阵列组成，同时支持基本电偶极子和高阶电四极子模式，其干涉满足基于广义Kerker效应的后向散射抑制条件，从而在微波波段获得高吸收。测试结果表明，所制备的超表面在4～18 GHz的微波波段具有89%的平均吸收率，在400～1 000 nm平均透过率为71%。

整片连续的ITO薄膜会在微波波段引起强烈的反射，为满足隐身需求，需要将整片ITO薄膜分成离散图案的形式来抑制微波反射，因此ITO基超表面往往设计成各种图案。东南大学崔铁军院士团队在透明基底(PMMA和PET)上设计了风车状单元阵列的ITO结构(见图5(d))[52]，该结构的反射谱具有三个吸收带，三个峰值强烈地依赖于ITO风车状结构的几何尺寸，结构内部不同位置的共振模式不同，在8.3～17.4 GHz的宽带吸收率大于90%，透光率为77%。由环形单元构成的ITO超表面，在28.1～42.8 GHz的吸收率大于90%，实测透光率为82%[13]。人工磁导体和理想电导体(perfect electric conductor, PEC)交替排列的棋盘格状结构可有效减弱后向散射RCS，在这种结构中，磁导体结构的反射相位在共振频率处具有0°的反射相位，有效地抵消了PEC的反射相位(180°)，从而使入射电磁能量向后向散射方向以外的方向散射。基于此，新加坡理工大学的Venkatarayalu等[53]将玻璃基板做成棋盘格表面，用ITO薄膜作为透明导电层，通过调控导电膜电导率这一关键参数，得到了具有RCS减缩能力的透明棋盘格图案表面。在众多超材料结构中，十字微结构单元不仅结构简单，而且还和其他形式的单元结构一样，通过合理的设计可以实现多带与宽带等吸波，如十字环岛状图案的ITO薄膜(见图5(e))[54]、由十字形和方形环交叉排列的超表面[15]、ITO Jerusalem十字阵列[55]等。

图5 超表面设计原理及结构示意图。

单一结构超表面的吸收带宽比较窄，强烈依赖ITO图形的结构尺寸，为了展宽频带，大多数研究者使用多层复合超材料和单层设计不同的微结构组合来实现双波段或多波段吸收电磁波，拓展吸收带宽。图5(f)是由ITO基超表面堆叠而成的复合超表面结构，不仅可以提供宽带雷达和热红外兼容低散射功能，而且具有带内微波传输窗口和高光学透明度,专门设计用于顺序控制红外发射、微波吸收和传输。在1.5～9 GHz，结构的反射率低于10%，在3.8 GHz附近透射峰达到50%，在红外大气窗口内，实现了约0.52的低热发射率，整体结构的实测透光率为33%[56]。通过适当修改超原子的阻抗和谐振峰来控制微波吸收以实现宽带吸收，在6.28～12.29 GHz对TE偏振具有大于90%的高吸收率，在7.19～15.26 GHz对TM极化的吸收率大于90%[14]。此外，在构建复合超表面时，还可以采用等效电路模型作为跳板进行导航设计[57]，利用互补结构层的偏振不敏感特性[58]，采用双层介质基板超表面[59]，调节超表面ITO占空比[60]等。

2.2 光学透明频率选择表面

频率选择表面(frequency selective surface，FSS)是一种由特定形状的单元图形构成的一种二维周期阵列的准平面结构，它对电磁波具有一定的频率选择性，能够较好地控制电磁波的传输和散射，使入射电磁波发生全反射或全透射，其本质特征是能够对不同频率、不同入射角和不同激化状态的电磁波呈滤波特性。光学透明FSS具有在光学波段透明、在雷达波段选择性全透射或者选择性全反射等特性[61]。

FSS可用于双谱到多谱的兼容设计，特别是在雷达、红外和可见光的兼容设计方面，可以同时获得良好的光学透明度、低红外发射率和宽带微波吸收。这种多光谱工作表面一般包含三个对应光谱的功能层(见图6(a))，其中顶层为FSS(一般用ITO阵列代替其他低红外发射率金属来制备FSS)，中层为阻性吸收层，底层为完整的导电片。由于导电面积占有率大，FSS的低通特性使得电磁波可以穿过FSS的中间吸收层，利用微波吸收和相位对消来减少微波伪装的反射。据报道，以PET和PMMA为基板的结构在12.03～29.43 GHz可实现>90%的强吸收，在3.0～14.0 μm可同时实现约0.3的低红外发射率，平均光学透明度高于90%[11,62]。此外，该结构还可在宽入射角范围内保持良好的角稳定性和极化不敏感特性，TE偏振和TM偏振在入射角为45°时，吸收率≥80%的带宽均在9 GHz以上[63-64]。基于FSS设计的柔性超薄吸透一体化结构能够在宽入射角范围内吸收任意极化的电磁波，并且在特定频段内具有几乎透明的透射窗口，在7.7～12.2 GHz的吸收率都能达到90%，样品的整体厚度为0.288 mm，超薄的厚度使得该结构柔性可弯曲，易与曲面目标共形[65]。

将上述透明材料、FSS和吸收结构简单结合在一定程度上会限制性能的相容性，同时，过多的结构层会增加器件的质量和制造难度。空军工程大学利用拓扑优化策略和激光切割技术优化了多频谱选择透过和吸收轻质FSS结构[66]。图6(b)为兼容FSS结构设计原理图，选择6 Ω/sq FSS ITO薄膜作为红外反射和微波透射层，6 Ω/sq整体ITO薄膜作为底层，20 Ω/sq优化ITO薄膜作为吸收层，衬底是光学透明材料PMMA，通过激光切割将其掏空，以减轻吸收体的质量。整体结构在380～800 nm的透光率达到78%以上，在3～14 μm的红外发射率低于0.24，在C、X和Ku波段(在45°入射TE和TM偏振下均保持较好的性能)的吸收率超过90%。而且，FSS与吸收ITO之间的PMMA大部分已被激光切割镂空，使顶层结构变轻。以往实现红外与微波多光谱兼容的结构大多由红外屏蔽层和雷达吸收层组成，利用FSS设计功能层能够得到低红外发射和微波吸收兼容的超表面。图6(c)为红外-雷达兼容FSS设计原理图，ITO FSS镀在PET表层，填充率为84.5%，该层可以同时具有吸波性能和低红外发射率，将ITO的电阻设置为6 Ω/sq，在7.3～10.3 GHz可实现小于-10 dB的反射，在3～14 μm的红外区域可以实现0.27的低发射率，光学透过率达到80%以上，整个结构的厚度仅为2.175 mm[67]。

通过阻性超表面和通带FSS结合也可以在宽带吸收带内得到具有透明窗口的发射-吸收材料(见图6(d))[68]，该材料由阻性超表面和由介质层隔开的金属FSS组成，在通带内，入射的辐射通过材料产生极低的反射，在通带外，FSS需要具有高反射，与阻性超表面形成电路模拟吸收器进行宽带吸收。测试结果显示：在7.5～14.5 GHz，-10 dB的吸收带宽约为64%；在吸收频带内，透明窗口在10 GHz左右的透射率高达-1.7 dB。此外，还有报道采用金属网栅和光学透明FSS一体化设计的方法得到了雷达波与光学波段双带通结构[69]。

2.3 新型水基超材料透明吸波结构

蒸馏水在微波频率下具有频散介电常数和良好的光学透明度，因此可用于设计透明吸波结构。但国内外学者研究发现，由于水的本征色散特性，宽带吸收需要通过梯度或多层水基谐振器的设计等策略来实现[70-72]。

有报道提出了一种包含空气层和水层的光学透明宽带超材料吸波体(见图7(a))，可同时吸收宽带微波和降低红外辐射[12]。整个结构由ITO FSS层、水层、空气层和ITO反射背板组合而成，顶层为90°圆形和四方星形单元周期性排列，用于微波吸收，基板为PET，上面依次为空气层和水层，底层为ITO背板。水的引入不仅可以增加微波的吸收，而且通过水循环控制红外辐射，还可实现红外隐身。该结构能够在14.4～39.4 GHz频带吸收90%以上的宽带微波，且具有光学透明特性。

西安交通大学庞永强团队[73]利用水的光学透明、介电常数分散和损耗大的特性，制备了用于光学透明和宽带微波吸收的水基超材料吸波体。图7(b)为可调水基超材料吸波体，选用PMMA为介质层，ITO薄膜为背反射面，为了获得宽的吸收带宽，蒸馏水设计为圆柱体和平板的组合，蒸馏水由PMMA容器和ITO背板封装。测试结果显示，在6.4～30 GHz可以实现效率超过90%的宽带吸收，在可见光区域的光学透明度高达85%左右。类似地，上海光激所张龙也设计了由ITO超表面、PMMA基底、水基底和ITO背面依次组成的水基透明吸波窗口(见图7(c))[74]，其中ITO薄膜为谐振图案和反射层，蒸馏水与PMMA结合为介电基底。特别的是，该结构可通过控制水基片的厚度来调节吸收性能,在5.8～16.2 GHz的超宽频带内的吸收率>90%，在波长为400～800 nm时平均光学透过率为70.18%。此外，吸收体具有对称的谐振模式，对TE和TM极化波都具有较高的偏振不敏感性和宽入射角稳定性。在此基础上，通过注水和放电循环，可实现吸收和反射状态切换，即微波吸收态(TE模式为10.52～20.04 GHz，TM模式为10.52～20.21 GHz)与全波段反射态(5～26.5 GHz)之间的增强宽带开关功能[75]。

图7 水基结构示意图。

由于水具有本征色散特性，水基吸波材料的宽带吸收往往需要设计多层水基谐振器，这样就会在一定程度上牺牲厚度和轻量化特性。为克服这一矛盾，可在薄水基超表层引入吸收-扩散式集成设计，在更宽的频带内明显降低后向散射。空军工程大学屈绍波团队在ITO背面上方设计了阵列分布的两型菱形水基谐振器，一方面，水基阵列的介电常数具有频散特性，可以激发多个电磁辐射以实现高效吸收，同时，预先设计的两个谐振腔之间的相位差也实现了基于破坏性干扰的类扩散散射，进一步抑制了镜面反射。这种结构在6.7～20.1 GHz可以显著降低宽带后向散射，同时具备良好的光学透明性能[76]。

在光学透明材料表面周期性排列的亚波长结构可以减少Fresnel反射，例如蛾眼结构减反膜就是一种由一系列不同形状的柱状结构组成的周期性结构[8]，在这种结构中，亚波长周期图案可产生具有有效折射率的有效缓冲层，降低入射介质(一般是空气)与基底之间的阻抗失配，实现宽频带、宽角度、偏振无关的可见光和近红外波段透明的微波吸收。图7(d)为水基蛾眼超材料结构，在4～120 GHz从正常入射到掠入射，以及TE和TM偏振，该结构都能达到接近100%的吸收水平。

3 结语与展望

随着雷达探测与电子技术的发展，屏蔽隐身研究的重要性日益增加，特别是透明隐身的需求愈加迫切。但一般透明导电材料都存在光学和电磁性能相互制约的问题，透明隐身屏蔽的研究面临困难和挑战，为此各研究机构与科学家们做了大量研究，并取得了一系列重要的进展。

(1)ITO具有导电率高、可见光透过率高、机械硬度和化学稳定性良好等特点，是透明导电领域(尤其是高频领域)使用最广泛的电阻材料。随后发展起来的各种透明吸波结构及复合材料，大都选择ITO作为基础的透明导电材料。

(2)金属网栅薄膜的电磁屏蔽效能高于ITO，同时能够获得更高的光学透过率，兼具材料与结构两方面的设计优势，具有较好的抗弯折性，但是它固有的网格光学衍射作用会影响实际场景中肉眼的视野质量，这限制了网栅薄膜的发展和应用，未来还需在材料、图形结构、工艺等方面取得进一步突破。

(3)超表面、频率选择表面等超材料透明隐身薄膜具有吸波率高、厚度薄、光学透明性好、电磁波可设计和可操作性强等优势，但吸收频段强烈依赖于其拓扑图形的结构尺寸，为了拓宽吸收频带，还需在多层复合、设计不同结构组合、优化制备工艺等方面进一步研究探索。

(4)结合特殊的匹配设计，石墨烯、水基超材料等新型透明吸波材料也表现出良好的光学和电磁性能，但是由于其制备质量和规模的限制，目前还未能实际应用。

(5)与反射型屏蔽隐身相比，吸波型材料的屏蔽隐身性能更全面。透明吸波隐身对材料、结构、制备工艺等要求苛刻，不是一种材料或结构就可以实现的，未来还需在材料选择与配合、结构设计、实施工艺等方面进行更全面和深入的研究和探索。不同材料、结构和技术手段在该领域的优劣对比如表1所示。

表1 不同材料的结构、优势和劣势对比

在透明屏蔽隐身领域，研究者们开展了丰富的理论研究、结构设计和模型制备工作，制得的材料在实验室范围内表现出良好的透明和屏蔽隐身性能。但就目前领域内的实际应用而言，仍以ITO及其金属掺杂透明导电薄膜为主。实验室开发的新型样件的尺寸一般较小，而实际应用及相关测试标准要求的样件尺寸较大(如GJB 8820—2015《数字通信信号抖动测试仪检定规程》，要求样件尺寸至少为300 mm×300 mm，飞机风挡为米级)。一方面，诸多新型的研究成果难以在工艺上实现大尺寸加工制备；另一方面，样件的尺寸会显著影响其屏蔽效能。一般地，小尺寸样件放大之后，屏蔽效能都会有不同程度的降低。因此，许多新型的技术方案，目前还未能达到实际应用和产业化水平。但随着技术的进步和科技工作者的努力，越来越多的科研成果将真正服务于我国通信、战机、船舰等民用和军用领域。