超材料吸波体发展及在隐身技术中的应用前景

王文颖， 艾俊强， 王 健

(航空工业第一飞机设计研究院，西安 710000)

0 引言

雷达是现代战争的火眼金睛,其精确探测给武器装备实现突防和打击带来日益严重的威胁。提高武器装备的隐身性能从而降低发现概率是提高战场生存能力和作战效能非常有效的方法，也是世界各国都在极力发展的技术。在武器装备外形已经确定并且其自身隐身性能达到一定的高度时，其隐身性能主要取决于隐身材料。

碳泡沫尖劈型吸波材料、铁氧体吸收剂、导电高分子吸收剂等传统吸波材料，设计时,介质厚度在电磁波传播方向上要满足λ/4的要求以实现对电磁波较大的衰减，并且通常材料密度较大，很难同时满足对吸波材料提出的“厚度薄、质量轻、频带宽、吸收强”的高性能要求。

超材料(Metamaterial)是一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过设计可以表现出负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应等超常物理特性，其一系列奇异特性不主要取决于构成材料的本征属性，而决定于超材料单元结构的图案形状、尺寸、排列方式以及介质层的电磁参数等因素。超材料是“材料”又不是“材料”，说其是“材料”是因为其结构组成材料是现实存在的，说其不是“材料”是因为其通过微结构的设计实现了目前自然界现有材料所不具备的物理特性。近年来超材料在微波段及太赫兹频段的各种应用，如完美透镜[1]、完美吸收[2]、介质天线[3]、极化控制[4]、隐身斗篷[5]等方面备受关注。其中，超材料吸波特性研究是研究热点之一。超材料可以克服传统吸波材料低频段工作瓶颈，还可以通过设计实现体积小、厚度薄、质量轻的结构特点，在隐身技术领域具有极大的潜在应用价值。

超材料吸波体吸波机理同传统吸波材料一样，也是将入射到其表面的电磁波能量转变为其他形式的能量而耗散掉。超材料吸波体需要具备两个特点：一是阻抗匹配性要好，尽可能减少电磁波的反射，使得绝大部分电磁波能够入射到材料内部；二是有电磁损耗机制，能将入射的电磁波能量转变为其他形式的能量。通过对超材料单元结构进行设计，可以实现电磁波接近完美吸收，并且其厚度可以突破λ/4的限制。近几年来，国内外对超材料吸波体进行了大量的研究，提出了多种吸波体结构模型，本文将从超材料吸波体的提出直至发展展开论述，并对其在隐身技术中的应用前景进行展望。

1 超材料吸波体的提出

2008年，LANDY等[2]首先提出了由金属开缝环、FR4 基板和金属线构成的“三明治”结构超材料，并把这种超材料称为完美超材料吸波体，该吸波体结构示意图和百分比形式的反射率、吸收率、透射率等结果见图1。

图1 完美超材料吸波体Fig.1 Perfect metamaterial absorber

该完美超材料吸波体结构在11.5 GHz时吸收率仿真值能够达到96%，实验测试值达到88%。由于构成这种超材料结构的材料金属铜以及 FR4 基板在该波段本身损耗极小，因此，可以断定此类亚波长超材料结构通过设计显著增强了对电磁波的吸收能力。这种吸波体设计原理是利用上层的金属开缝环电谐振器提供电响应εeff，而用来自于上层开缝环与底层金属线之间的反平行电流提供磁响应μeff，通过调节电磁谐振单元的尺寸大小以实现阻抗调控，使其等效阻抗zeff与自由空间的阻抗z0相匹配，即

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则可以使得谐振频率附近反射率和透射率达到最小，从而吸收率最大。完美吸收主要源于谐振器结构对入射电磁波产生的局域电磁谐振引起的欧姆损耗和介电损耗[6]。

自完美超材料吸波体被提出后，这一开创性的工作很快激起了人们关于超材料吸波体高吸收率的研究兴趣。很多研究者根据这个思路设计出了接近完美吸收的超材料吸波体，所设计的结构一般都采用“金属导电图案+有耗介质基板+金属背板”构成的“三明治”结构，其工作频率可以不受材料本征属性限制而通过调节金属单元结构方便地进行设计。虽然超材料吸波体对电磁波的吸收率可以接近100%，但由于其谐振机制限制，吸收带宽一般都比较窄，这会阻碍其在实际中的应用。

2 超材料吸波体的发展

随后，为了提高超材料吸波体的吸收带宽，人们又研究设计了多种方法，包括加载集总元件引进新的谐振机制[7-12]、通过多单元结构设计或多层结构复合将多个谐振峰不完全叠加[13-16]、多种不同类型的材料进行复合[17-22]等来实现吸收频带的展宽。

2.1 加载集总元件的超材料吸波体

对超材料吸波体可以根据等效电路理论来进行分析设计，即将超材料结构等效为由等效电阻、等效电容和等效电感组成的串并联电路，而直接在吸波体结构中加入集总元件则可以方便地改变阻抗特性和损耗特性，为超材料吸波体的发展提供了一种新的探索思路。

文献[7]设计了一种基于加载集总元件的ELC(Electrically coupled LC resonator)和SRR(Split Ring Resonators)超材料吸波体，通过集总电阻和电容调节输入阻抗，降低Q值，增加吸收强度，并通过多种谐振单元组合的方法拓宽了吸收频带，实现在2.4 GHz处得到99%的吸收率，半峰值带宽为700 MHz；文献[8]设计了一种基于集总元件的超材料吸波体，显示出了宽频带、极化不敏感和宽角度强吸收特性，可在低频范围内实现宽带吸收，强吸收频率范围为1.57～3.07 GHz，对吸收机制的研究表明，强吸收主要来源于集总电阻的作用；文献[9]设计了加载集总电阻和电容的开缝元宝形超材料吸波体，测试得到的90%以上吸收率带宽达到1.5 GHz。综上可见，加载集总元件是一种有效实现电磁波宽带吸收特性的超材料设计方法。图2所示为上述几种不同的加载集总元件的超材料吸波体结构。

图2 几种不同的加载集总元件的超材料吸波体结构

虽然加载集总电容和电阻可以显著增强吸收带宽，是一种新颖的方法，但是该方法不利于实际生产制造以及工程应用。

2.2 多单元或多层结构超材料吸波体

超材料吸波体可以通过不同单元图案之间的谐振，形成对电磁波的多频甚至宽频吸收。多频以及宽频吸收主要源于不同频率的电磁波与不同尺寸的谐振器结构相互作用产生吸收峰和厚度干涉作用产生的吸收峰的叠加效应[6]。

SUN 等[13]设计了三峰叠加的宽频超材料吸波体；ZHENG等[14]设计了基于花瓣结构的四频带强吸收吸波体；DING等[15]设计的超宽带微波超材料吸波体，其多层结构图和百分比形式吸收率见图3，通过尺寸渐变的多层结构叠加，实现了很好的阻抗匹配，从而达到了在7.8～14.7 GHz的90%以上宽带吸收，同时还具有极化不敏感和宽入射角特性。

图3 多层金属贴片结构及吸收率

2.3 多类型材料复合超材料吸波体

单一结构或类型的材料很难同时满足日益提高的吸波材料所提出的“薄、轻、宽、强”的高性能要求，因此，需要将多种结构或材料进行各种形式的复合以获得最佳的吸收效果。在传统磁性材料吸波体中引入超材料设计理念便是其中一种有效的设计方法，由于磁性材料良好的阻抗匹配和损耗特性，再结合超材料的完美吸收和可调特性，可以显著改善吸波材料的吸收特性。

CHEN等[17]设计了一种嵌入了频率选择表面(FSS)的超薄磁性雷达吸波体，其结构示意图和反射率见图4，其在低频范围内有较好的吸收特性。

图4 嵌入频率选择表面的雷达吸波体结构示意图及其反射率

基于羰基铁和Co2Z铁氧体复合物，厚度2 mm时，吸收频带范围为1.5～2.2 GHz，嵌入FSS并且恰当选择FSS的单元尺寸及在原吸波体中的嵌入位置，可有效展宽原有雷达吸波体的吸收带宽。研究表明：嵌入单层FSS时，低于-10 dB的吸收频带范围为1.19～2.89 GHz，吸收带宽展宽了1.0 GHz；嵌入双层FSS时，吸收频带范围为1.08～3.02 GHz，吸收带宽展宽了1.24 GHz。

ZHANG等[18]设计了一种嵌入FSS的有孔磁性高分子复合物宽带雷达吸波体，如图5所示。

图5 基于磁性基板的挖孔以及嵌入频率选择表面的吸波体结构示意图及其反射率

通过挖孔以及嵌入FSS来调节和改善磁性吸收基底的吸波特性，在优化了孔和FSS的尺寸后，2.4 mm厚的雷达吸波体实现了小于-10 dB的反射率频率范围为6.3～17.3 GHz，吸收带宽几乎是原磁性吸收基底的3.6倍，与此同时，由于挖了孔，厚度也减轻了15%。

REN等[19]在传统单层Minkowski分形频率选择表面中引入FeCoB磁性薄膜，用实验的方法研究了磁性材料对FSS吸收特性的影响，其结构示意图、反射率和阻抗见图6。

图6 频率选择表面和FeCoB基磁性薄膜复合的吸波体结构以及反射率和阻抗

用激光刻蚀技术制备了铝基FSS(AFSS)样品，用磁控溅射的方法制备了磁性薄膜，靶材是Fe40Co40B20和SiO2。发现增加磁性薄膜后，-10 dB以下的带宽增加了33.3%，从5.08 GHz增至6.78 GHz，反射率的峰值从-12.46 dB降至-38.41 dB。此3.1 mm厚雷达波吸收器相对较轻，-20 dB以下的带宽可以达到1.85 GHz。在保持样品总厚度基本不变的情况下，磁性薄膜可以显著提高样品的吸收特性。

ZHANG等[20]将超材料与传统磁性吸波材料相结合，提出一种微波段的针尖状结构磁性超材料吸波体，其结构示意图和反射率见图7，并进行了设计、仿真和测试研究。

图7 针尖状结构磁性超材料吸波体结构图以及仿真反射率

研究发现，由于针尖状结构带来的LC谐振，将原磁性吸波体的吸收带宽展宽了65%以上，低于-10 dB的吸收带宽为2.4 GHz(2～4.4 GHz范围)。与非磁性超材料吸波体不同，所提出的吸波体的能量损耗主要是磁性损耗。

3 超材料在隐身技术中的应用前景

未来越来越多类型的武器装备需要具备隐身能力，隐身技术是现代军事战争中具有巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术，主要包括雷达隐身、红外隐身、射频隐身、光学隐身以及声学隐身等隐身技术[23]，在这些隐身技术方面，超材料都有着巨大的应用价值。

超材料研究从提出至今历经20余年，得到了突飞猛进的发展。文献[24]将其电磁超材料技术的发展分为了3个阶段，即第1阶段为等效媒质超材料,第2阶段为人工表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)超材料,第3阶段为信息超材料。3个发展阶段，从传统到智能可调，各阶段超材料在隐身技术领域都有着非常广阔的应用前景，见表1。

表1 电磁超材料技术的发展阶段及其在隐身技术中的应用

等效媒质超材料利用谐振吸收实现特定频带甚至宽带吸波，能够应用于装备吸波结构设计；SPP超材料实现对反射或者透射相位的调控，可以应用于射频通信、天线等技术；信息超材料通过对电磁波的灵活操控、可编程，可以应用于智能隐身，能在宽频带和宽角域内降低雷达散射截面(RCS)。其中，信息超材料应用于隐身技术是采用了一种新颖的降低RCS的机理[25-26]：通过优化设计超表面的编码排布，将入射电磁波漫反射到空间各个方向,并且在每个方向上散射波能量都很小，形成低散射波。

超材料在隐身技术领域有着广阔的应用前景，但其走向实用化目前还面临着一定的挑战，其若干挑战及发展建议如下：1)进一步拓宽应用频带，实现高低频兼顾是一大难点；2)多功能复合，如可以与常规蒙皮技术结合，形成隐身蒙皮技术，充分发挥各自优势，在不改变现有装备外形特征和动力学性能的情况下，使装备具有隐身性能，还可以考虑与防除冰等其他功能相结合，进一步拓宽超材料的应用范围；3)兼顾力学性能，考虑实际装机时的承载能力，满足力学要求；4)考虑实际生产、测试、维护性能，可以实现大规模的高效、低成本加工，出现损伤时，能够进行快速检测和修复。

4 结束语

近些年来已有大量关于超材料吸波体的研究，通过设计成不同的结构形式，实现了低频化、宽频带、强吸收、大角度、极化不敏感、智能可调等优异的性能，使吸波材料设计实现了巨大的飞跃，其所具有的优良的吸波特性和巨大的应用价值使其在雷达天线、隐身、电子对抗等许多装备技术领域均拥有巨大的发展空间和应用潜力，其前景广阔并且影响深远，可大大提高武器装备系统及作战平台的生存能力，进一步推动武器装备的发展。