基于超材料的新型吸波材料及其天線(xiàn)隱身應用進(jìn)展

吸波材料是能有效吸收入射電磁波、降低目標回波強度的一類(lèi)功能材料。傳統的吸波材料大多是基于Salisbury吸收屏原理設計，其典型不足是體積過(guò)大。隨著(zhù)通信、隱身等領(lǐng)域對吸波材料性能要求越來(lái)越高，傳統吸波材料已不能滿(mǎn)足民用、尤其是軍事應用需求。因此，研制更薄、更輕、頻帶更寬的新型吸波材料已成為當前的緊迫課題。

超材料（Metamaterial，MTM）是近年來(lái)電磁領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其特點(diǎn)是具有亞波長(cháng)的周期性單元結構。該單元結構如同傳統材料的原子和分子，通過(guò)空間組合，可表現出新的電磁特性和功能。超材料的研究經(jīng)歷了電磁帶隙結構（Eleetromagnetie Band Gap，EBG）、左手材料（Left Hand Material，LHM）和基于光學(xué)變換的異向介質(zhì)等發(fā)展歷程，其特性幾乎涵蓋電磁領(lǐng)域。研究表明，利用超材料的奇異電磁特性，不僅可改善天線(xiàn)和微波器件性能，研制新型設備，還可為新型吸波材料的研制提供新的技術(shù)手段。

綜述基于超材料的新型吸波材料及其在天線(xiàn)隱身應用方面的研究進(jìn)展，對比分析各種吸波材料的特點(diǎn)，展望其在天線(xiàn)隱身領(lǐng)域的應用前景。

1、基于MTM的新型吸波材料

依據MTM的電磁特性，基于MTM的吸波材料，（Metamaterial Absorber，MA）可分為兩類(lèi)：利用同相反射特性的吸波材料和利用媒質(zhì)參數可調的吸波材料。

1.1、同相反射特性吸波材料

同相反射特性吸波材料依據其同相反射特性角的不同，可分為吸波型吸波材料和干涉型吸波材料兩類(lèi)。

1）吸波型吸波材料。該吸波材料包括兩部分：具有同相反射特性的MTM結構層和損耗層。損耗層材料可以是傳統電損耗材料，也可以直接將集總電阻加載在貼片之間作為損耗層，選擇適當的電阻值可以在一定頻段內較好地吸收入射電磁波。這種結構的設計依然是基于Salisbury屏原理，但由于MTM同相反射特性，不存在0.25 λ波長(cháng)厚度限制，可以實(shí)現超薄特性。

2000年，N.Engheta等首次提出利用MTM同相反射特性實(shí)現超薄吸波材料的構想?；谠摌嬒?2005年，S.Simms等利用mushroom-like EBG結構實(shí)現了超薄吸波結構，該結構將耗損層放置在離高阻表面很近的地方，從而實(shí)現一定頻帶內的吸波作用。以此設計為基礎，Gao等進(jìn)一步提出外加集總電阻構成吸波結構的方案，并給出反射系數和相位測試參數，如圖1，2所示。與Simms等提出的吸波結構相比，Gao等人提出的吸波材料更薄、且結構更為緊湊。

2）干涉型吸波材料。該吸波材料按電磁波相干涉原理設計。對于傳統干涉型吸波材料，當電磁波垂直入射到吸波材料表面時(shí)，一部分被反射出去，該反射波稱(chēng)為第一反射波，其余透入材料，在自由空間與材料間界面以及材料與金屬界面之間來(lái)回反射。當電磁波每次返回自由空間與材料界面時(shí)，都有一部分穿出此界面返回自由空間，這部分波疊加后形成第二反射波。若兩種反射波處于同一偏振面且相位相差180。則發(fā)生干涉，導致總的反射波能量急劇衰減。該吸波材料的缺點(diǎn)是結構較厚，吸收頻帶較窄。

2007年，Maurice Paquay等利用高阻EBG結構的同相反射特性，設計了一種新型干涉型吸波材料，如圖3所示。該吸波材料利用具有完美磁導體（PMC）特性的高阻EBG結構與完美良導體（PEC）結構組成棋盤(pán)結構。二者反射相位相差l80。其反射波相互干涉，使來(lái)波方向能量衰減，同時(shí)將后向散射能量轉移到其它角度，如圖4所示。鼻錐方向目標RCS可降低20 dB以上，-10 dB吸收帶寬為6.45 %，結構厚為0.062 5 λ。針對該設計材料帶寬較窄問(wèn)題，2009年Zhang等分別提出了利用兩種具有不同反射相位特征的高阻EBG結構組成棋盤(pán)結構的改進(jìn)方案。通過(guò)改進(jìn)，該型吸波材料的-10 dB吸收帶寬分別達到58.5%和32 %，結構厚度降至0.042λ。

1.2、媒質(zhì)參數可調吸波材料

基于MTM媒質(zhì)參數可調吸波材料的設計原理為：通過(guò)優(yōu)化MTM結構模型和調控MTM結構單元的電、磁諧振，使ε（w）＝μ（w），從而實(shí)現吸波材料和自由空間的阻抗匹配。按此設計原理，媒質(zhì)參數可調吸波材料的電、磁參數在諧振區域具有較大虛部，可確保電磁波達到100 %的吸收率，故這種吸波材料被稱(chēng)為“完美吸波材料（Peffect Metamaterial Absorber，PMA）”。

PMA于2008年由Landy等首先提出，其單元結構和吸收率，如圖5，6所示。通過(guò)優(yōu)化單元結構，Landy等實(shí)現了單層結構厚度僅為0.007λ、反射率為0.01%、透射率為0.9 %、吸收率高達99 %、半高峰寬（FWHM，吸收率在50 %以上的帶寬）只有4 %的PMA。進(jìn)一步研究還表明：按上述原理設計的PMA，其吸收率隨單元層數呈指數增加，且損耗主要來(lái)自材料的介質(zhì)。PMA的研制成功，使其成為研究熱點(diǎn)。隨著(zhù)研究的深入，新型吸波結構單元不斷被提出，材料的電磁特性也得到明顯改進(jìn)：如寬角度吸波和極化的穩定性進(jìn)一步增強、吸波頻帶和擴展吸波帶寬進(jìn)一步增加等，研究范圍也從微波、毫米波、太赫茲，一直延伸到紅外和近可見(jiàn)光等區域。

相比傳統吸波材料和文獻研究的吸波材料，PMA在吸波性能和結構上具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）單元吸波的獨立性。依據PMA的設計思想，PMA每個(gè)單元的電磁諧振都獨立發(fā)生，單元之間的吸收相互獨立，大部分能量集中于每個(gè)單元內部，單元之間的電磁場(chǎng)很小，吸波率對周期性的要求不高，而文獻依據的同相反射特性一般要求3個(gè)周期單元以上才能呈現出良好的電磁特性。該特點(diǎn)對PMA在天線(xiàn)系統的有限空間加載吸波材料非常有利。

2）超薄超輕，易于集成。PMA厚度一般小于幾十分之一波長(cháng)，質(zhì)量很輕。由于是無(wú)源結構，嵌入天線(xiàn)陣列可實(shí)現一體化設計，不增加天線(xiàn)的質(zhì)量和復雜度。

3）、成本低，加工維護簡(jiǎn)單。采用一般的介質(zhì)材料板用電路蝕刻技術(shù)就可加工實(shí)現，成本低、維護方便，而且加工過(guò)程很容易在其他介質(zhì)上重復實(shí)現，包括軟介質(zhì)，如Poiymide介質(zhì)，可使結構具有機械靈活性和柔韌性，易于共形。

2、MA在天線(xiàn)隱身中的應用

吸波材料最重要的應用是目標隱身。目前，通過(guò)外形隱身和材料隱身技術(shù)，飛行器結構的散射已得到有效減小，如此情況下，天線(xiàn)就成為其雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）平臺上貢獻最大的散射源之一。解決天線(xiàn)隱身的方法包括帶外隱身和帶內隱身兩種，對于帶外隱身，頻率選擇表面（Frequency Se- lective Surface，FSS）雷達天線(xiàn)罩能很好地解決問(wèn)題。據《AVIONICS MAC》報道，美國新一代F-22戰機已經(jīng)采用帶通式FSS雷達天線(xiàn)罩。但對天線(xiàn)帶內隱身，FSS不是一種有效方法，依據現有研究成果，MA為解決這一問(wèn)題提供了新的技術(shù)手段。

文獻將基于同相反射特性的MA應用于4x10非均勻脊波導縫隙陣中，在工作頻率上RCS的E面峰值下降了8.1 dBsm，H面RCS峰值下降了6.3 dBsm。文獻利用同類(lèi)型MA結構進(jìn)一步分析了其在微帶天線(xiàn)和螺旋天線(xiàn)陣RCS減縮中的應用，在保持天線(xiàn)輻射性能的基礎上同樣獲得良好的RCS減縮效果。文獻利用文獻提出的干涉型吸波材料設計思想，設計了一種“環(huán)結構”的吸波結構，并將其應用于波導縫隙天線(xiàn)，實(shí)現天線(xiàn)帶內RCS最大20 dB的減縮.增益增加1.7 dB，旁瓣則降低4 dB。

對基于MTM媒質(zhì)參數可調的PMA，雖然已表現出良好的吸波性能和結構優(yōu)勢，但目前已有的文獻僅僅分析了其吸波特性，還沒(méi)有研究其在天線(xiàn)RCS減縮中的應用，說(shuō)明PMA在天線(xiàn)隱身方面的應用還沒(méi)有引起足夠重視。

3、總結與展望

新型超材料的出現為設計新型微波器件、設備提供了新的技術(shù)手段，利用其同相反射特性和媒質(zhì)參數可調的特點(diǎn)，眾多輕薄、吸收率較高的吸波材料正脫穎而出，尤其是基于媒質(zhì)參數可調的完美吸波材料，由于其自身的優(yōu)勢，必將在隱身領(lǐng)域具有廣闊的應用前景=但此類(lèi)吸波材料目前仍處于探索階段，由于研制技術(shù)不夠成熟，距實(shí)際應用還有一定距離。

基于現有研究進(jìn)展，MA及其在天線(xiàn)隱身中的應用研究，下一步將會(huì )集中在以下3個(gè)方面：1）、寬帶MA的研制。采用何種有效方法實(shí)現寬帶吸波，將是吸波材料研制的重要問(wèn)題之一。2）、MA與天線(xiàn)的一體化設計。研究如何加載MA，使天線(xiàn)既能保持良好的輻射性能，又能實(shí)現RCS減縮，將是一體化設計的關(guān)鍵問(wèn)題。3）結合已成熟的FSS雷達天線(xiàn)罩帶外隱身技術(shù)，研究如何實(shí)現天線(xiàn)全頻域RCS減縮，將是實(shí)現飛行器徹底隱身的根本問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)，上述3個(gè)方面研究前景誘人。