羅歆瑤，王身云

超材料隱身技術(shù)研究進(jìn)展

羅歆瑤，王身云

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 210044）

探究超材料隱身技術(shù)的應(yīng)用背景，回顧超材料隱身技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)超材料隱身技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。從基本工作原理出發(fā)，介紹幾種主流的超材料隱身技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，包括變換光學(xué)隱身技術(shù)、等離激元隱身技術(shù)、覆罩式隱身技術(shù)、基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身技術(shù)以及相位調(diào)制型超構(gòu)表面隱身技術(shù)等。超材料技術(shù)的發(fā)展為隱身衣的設(shè)計(jì)提供了新的思路，并加速了隱身器件的小型化、集成化、數(shù)字化和智能化發(fā)展。概述了超材料隱身技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要展望。

超材料；超表面；隱身技術(shù)

在現(xiàn)代復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，隱身技術(shù)的發(fā)展加劇了各國(guó)武器裝備競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)展隱身技術(shù)，提高武器系統(tǒng)生存、空防和縱深打擊能力，已經(jīng)成為集陸、海、空、天、電磁為一體的立體化現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的迫切需要。實(shí)踐證明，隱身技術(shù)能有效提高武器裝備的作戰(zhàn)性能和電子戰(zhàn)能力。為了降低作戰(zhàn)系統(tǒng)的雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section，RCS）從而降低目標(biāo)被探測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特殊的電磁隱身設(shè)計(jì)。目前，電磁隱身技術(shù)主要采取2種技術(shù)途徑，外形隱身設(shè)計(jì)[1-2]和使用電磁隱身材料。在工程實(shí)踐中，這2類(lèi)隱身技術(shù)通常同時(shí)應(yīng)用。但是外形隱身技術(shù)的設(shè)計(jì)自由度較差，受限于目標(biāo)的氣動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)以及尺寸等；而傳統(tǒng)電磁隱身材料使用的吸波材料通常厚度厚、質(zhì)量小，工作頻率也相對(duì)固定，不利于系統(tǒng)進(jìn)行小型化、集成化、輕量化設(shè)計(jì)。因此，如何實(shí)現(xiàn)厚度薄、質(zhì)量小、性能好的隱身材料已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

人工電磁超構(gòu)材料的出現(xiàn)，使電磁隱身技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破。人工電磁超構(gòu)材料（Metamaterial）簡(jiǎn)稱(chēng)為“超材料”，是一種由亞波長(zhǎng)量級(jí)的人工“類(lèi)原子”進(jìn)行周期性或者非周期性排布而成的新型人工復(fù)合材料[3]。通過(guò)設(shè)計(jì)單元的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸及排布方式，可以任意、靈活地調(diào)控這類(lèi)材料的電磁參數(shù)，使設(shè)計(jì)出的超構(gòu)材料能夠展現(xiàn)出天然材料所不具備的特異電磁性質(zhì)，如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)折射率等，從而極大地豐富了調(diào)控電磁波的手段和方法[4-10]。人工電磁超構(gòu)表面（Metasurface）[11-16]可以看作是超材料的二維平面形式，簡(jiǎn)稱(chēng)為“超表面”。電磁超構(gòu)表面具有剖面超薄、損耗較低且易于設(shè)計(jì)、加工與集成等優(yōu)勢(shì)。在電磁隱身、電磁隔離與雷達(dá)探測(cè)等微波頻段的熱門(mén)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。它的發(fā)展推動(dòng)了微波器件的小型化、集成化、共形化、數(shù)字化和智能化[17-23]。

目前，國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于超材料隱身技術(shù)的研究工作。本文將概述性地介紹幾種主流的超材料隱身技術(shù)的研究現(xiàn)狀，包括變換光學(xué)隱身技術(shù)、等離激元隱身技術(shù)、覆罩式隱身技術(shù)、基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身技術(shù)以及相位調(diào)制型超構(gòu)表面隱身技術(shù)等。

1 超材料/超表面隱身技術(shù)概述

當(dāng)電磁波照射到目標(biāo)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、散射等物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的強(qiáng)弱通常與目標(biāo)的物理尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常情況下，可以使用雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section，RCS）來(lái)衡量微波波段內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)生的回波強(qiáng)度[24, 25]：

電磁隱身技術(shù)旨在降低目標(biāo)物體的RCS，從而降低目標(biāo)被探測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)，在電磁兼容、偽裝技術(shù)、低可偵測(cè)技術(shù)、陣列天線(xiàn)技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域中具有重要價(jià)值。在后文中，將對(duì)幾種主流的電磁超材料/超表面隱身技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和概述。

2 基于變換光學(xué)的超材料隱身技術(shù)

2006年初，Pendry等[26]在《Science》上發(fā)文，首次提出了基于超材料的變換光學(xué)（Transformation Optics）理論以及利用該理論實(shí)現(xiàn)隱身衣設(shè)計(jì)的構(gòu)想。由于麥克斯韋方程在坐標(biāo)變換后可以保持形式不變，Pendry教授提出了通過(guò)合理構(gòu)建變換媒質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)來(lái)有效調(diào)控電磁波傳播路徑的方法。該方法可以構(gòu)造出一個(gè)與電磁波完全隔離的實(shí)際物理空間，使入射電磁波能夠如流水流過(guò)石頭一般，平滑地繞過(guò)這個(gè)構(gòu)造出的物理空間，如圖1所示。由于電磁波不能夠進(jìn)入這個(gè)物理空間，因此這個(gè)物理空間內(nèi)放置的任意目標(biāo)物體都將處于電磁屏蔽的狀態(tài)，外部電磁探測(cè)器無(wú)法對(duì)該區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)完美隱身。超構(gòu)材料對(duì)本構(gòu)參數(shù)的強(qiáng)大調(diào)控能力，為這種變換光學(xué)隱身衣實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

圖1 變換光學(xué)隱身衣的工作原理[26]

2006年底，美國(guó)杜克大學(xué)的Smith教授課題組首次在微波波段設(shè)計(jì)出了基于變換光學(xué)的柱狀隱身衣，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[27]。該隱身衣的照片如圖2所示，它所使用的超材料是由開(kāi)口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)周期排布而成。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)口環(huán)諧振器的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸，可以自由調(diào)控超材料的等效電磁參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)這類(lèi)超材料隱身衣。

圖2 微波頻段首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的變換光學(xué)隱身衣實(shí)物照片[27]

為了簡(jiǎn)化變換光學(xué)隱身衣的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方式，Pendry教授課題組于2008年提出了毯式隱身衣（Carpet Cloak）的概念[28]。他們對(duì)傳統(tǒng)的變換光學(xué)加以改進(jìn)，引入準(zhǔn)共形映射的方法，通過(guò)選取合適的坐標(biāo)變換，使隱身衣所需的電磁本構(gòu)參數(shù)的各向異性達(dá)到最小化。研究發(fā)現(xiàn)，僅需使用純介質(zhì)材料以及合理的介電常數(shù)值就可以實(shí)現(xiàn)一些特定的變換媒質(zhì)，且這種變換在光頻段內(nèi)可以具有較寬的工作帶寬。如圖3所示，將準(zhǔn)共形映射法設(shè)計(jì)出的毯式隱身衣覆蓋在反射面上形狀不規(guī)則的凸起物上，可以使這塊被覆蓋的凸起區(qū)域在電磁波的照射下呈現(xiàn)出完全平坦的效果，以此對(duì)“地毯”下方的任何物體實(shí)現(xiàn)完美隱藏。2009年，美國(guó)杜克大學(xué)Smith課題組利用非諧振的工字型構(gòu)成的超構(gòu)材料，首次在微波波段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這類(lèi)基于準(zhǔn)共形映射方法的寬頻帶地毯式隱身衣的可行性[29]，如圖4所示。2010年，東南大學(xué)的崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)首次在微波波段實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了三維地毯式隱身衣[30]。此后，從微波頻段到光頻段，此類(lèi)寬帶毯式隱身方法的可行性均得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[31-33]。

隨著變換光學(xué)隱身技術(shù)的不斷進(jìn)步，科研人員已將該設(shè)計(jì)方法推廣至聲學(xué)[34]、熱力學(xué)[35]、靜電場(chǎng)[36-37]、流體力學(xué)[38-39]等領(lǐng)域，并提出了一系列重要的應(yīng)用。但即使是工作帶寬得到了有效提升的毯式隱身衣，也面臨著一些應(yīng)用瓶頸。例如，由于毯式隱身技術(shù)是以犧牲空間光程為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波方向的調(diào)控，因此，設(shè)計(jì)出的隱身衣仍然不可避免地有著體積和質(zhì)量大等特點(diǎn)。

為了解決這些問(wèn)題，科研工作者們陸續(xù)提出了一些其他的超薄隱身衣的設(shè)計(jì)方法。例如，基于散射相消原理的隱身技術(shù)的提出有效降低了超材料隱身衣的厚度；基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身衣可以在保持器件厚度超薄的情況下，在較寬帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)散射的有效縮減；基于相位調(diào)制超構(gòu)表面的隱身技術(shù)為更加靈活地調(diào)控電磁散射提供了可能性，進(jìn)一步增加了電磁波探測(cè)器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的難度。

3 等離激元隱身衣及覆罩式隱身衣

如上文所述，變換光學(xué)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)完美隱身的理想方法。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，只能使用近似的參數(shù)對(duì)這類(lèi)隱身衣進(jìn)行構(gòu)建。例如，根據(jù)變換光學(xué)理論，完美隱身衣內(nèi)徑處的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率應(yīng)為無(wú)窮，而實(shí)際上實(shí)驗(yàn)無(wú)法制備出符合該要求的材料。因此，變換光學(xué)隱身衣的樣件性能將受限于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件。

基于散射相消原理實(shí)現(xiàn)的隱身技術(shù)不會(huì)面臨實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的難題。散射相消（Scattering Cancellation）的方法最初由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Enghta教授課題組于2005年提出[40]。其中心思想是：電磁波入射到任意目標(biāo)物體時(shí)會(huì)發(fā)生散射，如果能夠在目標(biāo)物體的散射場(chǎng)內(nèi)引入另一個(gè)與之反相的散射場(chǎng)，2個(gè)散射場(chǎng)疊加后將會(huì)相互抵消，整個(gè)系統(tǒng)的總散射從而得到抑制。如圖5所示，Enghta教授課題組用一個(gè)較小介電常數(shù)（介電常數(shù)小于周?chē)橘|(zhì)）的等離子體球形外殼包裹一個(gè)較大介電常數(shù)（介電常數(shù)大于周?chē)橘|(zhì)）的球狀介質(zhì)目標(biāo)。在TM極化平面波入射的條件下，通過(guò)調(diào)控等離子球形外殼的直徑，可以使等離子體球形外殼感應(yīng)出與球狀介質(zhì)目標(biāo)相反的偶極矩，二者的散射相互抵消，球狀介質(zhì)目標(biāo)的總散射截面積因而可以接近于0。由于這種隱身技術(shù)是利用隱身器件本身固有的非諧振特性來(lái)實(shí)現(xiàn)散射的抑制，因此，設(shè)計(jì)出的隱身衣性能通常魯棒性較好，工作帶寬也比變換光學(xué)隱身衣更寬。此外，構(gòu)建這類(lèi)隱身衣采用的是均勻且各向同性的材料，這與變換光學(xué)隱身衣對(duì)材料性能和加工工藝的嚴(yán)苛要求形成了鮮明對(duì)比。因此，這類(lèi)隱身衣的物理實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度大幅度降低。在實(shí)驗(yàn)上，這類(lèi)隱身衣可以通過(guò)設(shè)計(jì)等離激元超構(gòu)材料或超薄共形超構(gòu)表面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。下面分別對(duì)這2類(lèi)隱身衣進(jìn)行介紹。

圖4 微波頻段毯式隱身衣的實(shí)物照片[29]

圖5 等離激元隱身衣的工作原理[40]

2009年，Enghta教授課題組首次在微波段用等離激元超構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種基于散射相消原理的隱身技術(shù)在微波波段的可行性[41]。他們?cè)谥鶢钅繕?biāo)的外部沿徑向放置12個(gè)金屬平板，且保持相鄰金屬平板之間的距離相等。將這12個(gè)金屬平板浸泡在相對(duì)介電常數(shù)=21的丙酮中，就可以在工作頻點(diǎn)1.93 GHz處構(gòu)造出一個(gè)等效介電常數(shù)r=?22的等離激元隱身衣（Plasmonic Cloak），如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載了該隱身衣的柱狀介質(zhì)目標(biāo)（介電常數(shù)為=6）的總散射截面積縮減了約75%。此后，科研人員們基于散射相消原理進(jìn)一步開(kāi)展了許多關(guān)于這類(lèi)隱身技術(shù)的研究工作[42-45]。

與等離激元隱身衣相似，覆罩式隱身衣（Mantle Cloak）也是通過(guò)抵消目標(biāo)散射場(chǎng)的主要散射項(xiàng)來(lái)抑制總散射場(chǎng)。不同之處在于，覆罩式隱身衣采用的不是能夠感應(yīng)出反相偶極矩的等離子體球體外殼，而是一層超薄的阻抗表面，如圖7所示[46]。通過(guò)合理設(shè)計(jì)這層阻抗表面的平均表面阻抗，該阻抗表面被激勵(lì)起的表面感應(yīng)電流能夠產(chǎn)生與目標(biāo)相反的散射場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)散射相消。這種隱身技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：質(zhì)量小、厚度超薄、易于共形且方便加工制備等。此外，由于入射電磁波能夠穿透這類(lèi)隱身衣，因此，位于其內(nèi)部的目標(biāo)/傳感器可以在不被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的情況下，保持與外部信號(hào)的正常通信。這些特性使這類(lèi)覆罩式隱身衣在抗干擾通信、傳感和非侵入探測(cè)等許多領(lǐng)域中展現(xiàn)了良好的實(shí)際應(yīng)用潛力和價(jià)值。此后，科研工作者們?cè)诖嘶A(chǔ)上，陸續(xù)提出了寬帶和雙頻雙層覆罩式隱身衣[47]、各向異性覆罩式隱身衣[48]、雙頻單層覆罩式隱身衣[49]、寬帶橢圓柱體覆罩式隱身衣[50]、適用于大尺寸目標(biāo)[51-52]的覆罩式隱身衣以及加載有非福斯特器件的寬帶覆罩式隱身衣[53]等設(shè)計(jì)。近年來(lái)，隨著可重構(gòu)、可調(diào)控技術(shù)的逐步成熟，可調(diào)超薄覆罩式隱身衣的研究與設(shè)計(jì)吸引了大批科研人員的目光[54-58]。2014年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Alù教授課題組提出了在傳統(tǒng)覆罩式隱身衣上加載變?nèi)荻O管的方案。數(shù)值仿真結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身衣的有效表面阻抗的實(shí)時(shí)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)散射抑制頻段的靈活調(diào)控[54]。同年，東南大學(xué)崔鐵軍院士課題組進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加載有變?nèi)荻O管的可調(diào)覆罩式隱身衣可以在更寬的可調(diào)工作帶寬上抑制目標(biāo)的散射[55]。2021年，南京大學(xué)馮一軍教授課題組將空間可重構(gòu)的概念引入隱身衣的設(shè)計(jì)中，提出了一種嶄新的表面阻抗調(diào)控方法，僅需調(diào)控PIN二極管的“通”和“斷”，即可在連續(xù)且較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻段的靈活調(diào)控[58]。

4 基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身技術(shù)

為了降低低散射器的整體厚度，空軍工程大學(xué)屈紹波教授課題組進(jìn)一步提出了一種基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的超薄電磁隱身衣的實(shí)現(xiàn)方案[59]，如圖8a所示。該隱身衣的諧振單元可以等效為一個(gè)三端口微波網(wǎng)絡(luò)，如圖8b所示。在電磁波正入射的情況下，單元可以通過(guò)端口3有效地將入射電磁波耦合至兩側(cè)微帶線(xiàn)上的端口1和2，而端口1和2能夠?qū)⒔邮盏降碾姶拍芰垦刂Ь€(xiàn)傳輸至相鄰的單元中，直至最終重新將電磁波耦合至前向空間。通過(guò)該方法，屈紹波教授課題組設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了一款超薄柱狀低散射器（厚度僅為0.025）[59]。該方案雖然不能夠?qū)崿F(xiàn)完美的隱身效果，但可以有效地降低目標(biāo)的總散射。

圖6 等離激元隱身衣在微波段的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[41]

圖7 覆罩式隱身衣的實(shí)現(xiàn)形式舉例[46]

圖8 首個(gè)基于微波傳輸網(wǎng)絡(luò)理論實(shí)現(xiàn)的超薄隱身衣[59]

此后，一些科研工作者基于這種設(shè)計(jì)機(jī)理先后提出了超薄雙頻柱狀低散射器[60-61]以及任意形狀的超薄低散射器[62]等設(shè)計(jì)方案。這種基于微波等效傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路為實(shí)現(xiàn)超薄低散射器提供了一種嶄新的方案。然而，在這類(lèi)技術(shù)方案中，為了實(shí)現(xiàn)低散射器的超薄厚度，通常需要采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，這對(duì)加工制備任意形狀的這類(lèi)低散射器提出了新的挑戰(zhàn)。到目前為止，這類(lèi)低散射器的研究工作尚停留在理論設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真驗(yàn)證階段。實(shí)驗(yàn)制備與驗(yàn)證這類(lèi)隱身衣仍然是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。

5 基于相位調(diào)制超表面的隱身技術(shù)

超表面的出現(xiàn)為調(diào)控電磁波提供了一條新的途徑。它具有深亞波長(zhǎng)的厚度、靈活調(diào)控電磁波的能力、較低的損耗、易于共形、易于制備、易于集成等特點(diǎn)，促進(jìn)了超表面隱身衣的發(fā)展[63-65]。通過(guò)合理設(shè)計(jì)超表面的單元結(jié)構(gòu)以及相位分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相位型超表面散射的有效調(diào)控，達(dá)到“隱身”的目的[66]。

2013年，東南大學(xué)的崔鐵軍院士課題組首次提出了超構(gòu)表面毯式隱身衣的想法，并在微波段對(duì)基于二維超表面的毯式隱身衣進(jìn)行了仿真驗(yàn)證[67]。2015年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的張翔教授課題組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于相位調(diào)制超構(gòu)表面的超薄毯式隱身衣[68]。該超構(gòu)表面隱身衣由亞波長(zhǎng)的金納米天線(xiàn)構(gòu)成，它可以在2π范圍內(nèi)調(diào)控反射光波的相位，如圖9所示。通過(guò)精心設(shè)計(jì)納米天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和排布，覆蓋在凸起目標(biāo)上的超薄超表面（厚度僅為80 nm，即0.11）能夠成功模擬出金屬平板反射光波的相位分布，從而實(shí)現(xiàn)“地毯式隱身”。這種設(shè)計(jì)方法迅速吸引了大量科研工作者的研究興趣，如：Yang等[69]通過(guò)獨(dú)立調(diào)控2層超構(gòu)表面的相位分布，實(shí)現(xiàn)了雙頻雙層超構(gòu)表面地毯式隱身衣的設(shè)計(jì)；Jiang等[70]利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款極化不敏感的可共形地毯式隱身衣。

圖9 超薄超表面毯式隱身衣結(jié)構(gòu)[68]

隨著隱身技術(shù)的迅猛發(fā)展，多變的入射波模式和外部環(huán)境對(duì)隱身裝置的性能提出了更高的要求。人們希望隱身裝置的工作不再局限于固定的來(lái)波模式或背景環(huán)境。有源超構(gòu)表面的不斷發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一期待提供了可能性。2018年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的羅先剛院士課題組首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)幻覺(jué)調(diào)控的毯式超構(gòu)表面隱身衣[71]，如圖10所示。通過(guò)調(diào)節(jié)加載在超構(gòu)表面單元的變?nèi)荻O管的電壓，可以動(dòng)態(tài)且連續(xù)地調(diào)控該超構(gòu)表面的反射相位，從而使散射波波前被重構(gòu)為多個(gè)預(yù)期狀態(tài)，生成不同物體的電磁圖像，達(dá)到電磁欺騙的目的。2020年，浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組設(shè)計(jì)出了一款能夠迅速根據(jù)背景環(huán)境和來(lái)波模式進(jìn)行自適應(yīng)響應(yīng)的新一代智能毯式超表面隱身衣[72]，如圖11所示。該超表面與人工智能算法進(jìn)行結(jié)合，在沒(méi)有任何人為干預(yù)的情況下，能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)變化的入射波和背景環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)整相位分布，實(shí)時(shí)重構(gòu)出與背景一致的散射場(chǎng)。

圖10 幻覺(jué)可重構(gòu)的毯式超表面隱身衣[71]

圖11 基于深度學(xué)習(xí)的微波段自適應(yīng)超表面毯式隱身衣[72]

除了毯式隱身衣之外，相位型超表面還可用于獨(dú)立式隱身衣的設(shè)計(jì)。例如，南京大學(xué)馮一軍教授課題組利用透明金屬銦錫氧化物（ITO）和柔性介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)了光學(xué)透明的柔性編碼超構(gòu)表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該柔性編碼超構(gòu)表面適用于抑制各種不規(guī)則外形目標(biāo)的散射，且可在寬頻帶內(nèi)有效縮減目標(biāo)的背向散射[73]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文概述了基于人工電磁超材料/超表面的隱身技術(shù)的研究進(jìn)展。從基本概念、工作原理以及性能優(yōu)勢(shì)等方面對(duì)包括變換光學(xué)隱身技術(shù)、等離激元隱身技術(shù)、覆罩式隱身技術(shù)、基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身技術(shù)以及相位調(diào)制型超構(gòu)表面隱身技術(shù)在內(nèi)的幾種主流的超材料隱身技術(shù)進(jìn)行了介紹。研究結(jié)果表明，超材料的提出與發(fā)展為提升隱身器件的性能提供了切實(shí)可行的新研究思路。理想的隱身器件應(yīng)具有超薄、寬帶、全極化、全向、易于制造、低損耗、低成本等特點(diǎn)，但顯然任何超材料隱身技術(shù)都難以同時(shí)滿(mǎn)足這些要求。因此，應(yīng)根據(jù)需求合理地選擇隱身技術(shù)。在器件集成化、環(huán)境復(fù)雜化以及需求多樣化的趨勢(shì)下，現(xiàn)有的隱身技術(shù)仍然存在著許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和應(yīng)用難點(diǎn)。例如：針對(duì)微波低頻段，實(shí)現(xiàn)超薄、寬帶、可共形的隱身器件設(shè)計(jì)，對(duì)科研工作者而言仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。此外，新興作戰(zhàn)平臺(tái)上的雷達(dá)等射頻傳感器將以智能蒙皮的形態(tài)出現(xiàn)，復(fù)雜多變的電磁隱身環(huán)境對(duì)智能化的電磁隱身材料產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。因而發(fā)展智能可調(diào)控的隱身技術(shù)以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的來(lái)波模式、背景環(huán)境和應(yīng)用需求已然成為隱身技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

[1] 桑建華. 飛行器隱身技術(shù)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2013.

SANG Jian-hua. Low-observable Technologies of Aircraft[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2013.

[2] RUCKENSTEIN E, PARK J S. The Electromagnetic Interference Shielding of Polypyrrole Impregnated Conducting Polymer Composites[J]. Polymer Composites, 1991, 12(4): 289-292.

[3] ENGHETA N, ZIOLKOWSKI R W. Metamaterials: physics and engineering explorations[M]. Hoboken: Wiley-Interscience, 2006

[4] WAIT J R. Electromagnetic wave theory[M]. New York: Harper & Row, 1985.

[5] VESELAGO V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of Epsilon and Μ[J]. Soviet Physics Uspekhi, 1968, 10(4): 509-514.

[6] PENDRY J B, HOLDEN A J, STEWART W J, et al. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures[J]. Physical Review Letters, 1996, 76(25): 4773-4776.

[7] PENDRY J B, HOLDEN A J, ROBBINS D J, et al. Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(11): 2075-2084.

[8] SMITH D R, PADILLA W J, VIER D C, et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity[J]. Physical Review Letters, 2000, 84(18): 4184-4187.

[9] PENDRY J B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens[J]. Physical Review Letters, 2000, 85(18): 3966-3969.

[10] SHELBY R A, SMITH D R, SCHULTZ S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction[J]. Science, 2001, 292(5514): 77-79.

[11] YU Nan-fang, GENEVET P, KATS M A, et al. Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction[J]. Science, 2011, 334(6054): 333-337.

[12] AIETA F, GENEVET P, YU Nan-fang, et al. Out-of-Plane Reflection and Refraction of Light by Anisotropic Optical Antenna Metasurfaces with Phase Discontinuities[J]. Nano Letters, 2012, 12(3): 1702-1706.

[13] CHEN Ke, FENG Yi-jun, MONTICONE F, et al. A Reconfigurable Active Huygens' Metalens[J]. Advanced Materials, 2017, 29(17): 1606422.

[14] LIU Shuo, TIE Jun cui, NOOR A, et al. Negative Reflection and Negative Surface Wave Conversion from Obliquely Incident Electromagnetic Waves[J]. Light: Science & Applications, 2018, 7(5): 18008.

[15] LUO Xian-gang. Subwavelength Optical Engineering with MetasurfaceWaves[J]. Advanced Optical Materials, 2018, 6(7): 1701201.

[16] QIU Cheng-wei, ZHANG Shuang, CAPASSO F, et al. Special Issue on “Ultra-Capacity Metasurfaces with Low Dimension and High Efficiency”[J]. ACS Photonics, 2018, 5(5): 1640-1642.

[17] SIMA Bo-yu, CHEN Ke, LUO Xin-yao, et al. Combining Frequency-Selective Scattering and Specular Reflection through Phase-Dispersion Tailoring of a Metasurface[J]. Physical Review Applied, 2018, 10(6): 064043.

[18] XU He-xiu, CAI Tong, ZHUANG Ya-qiang, et al. Dual-Mode Transmissive Metasurface and Its Applications in Multibeam Transmitarray[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2017, 65(4): 1797-1806.

[19] ZHANG Xiao-hu, PU Ming-bo, GUO Ying-hui, et al. Colorful Metahologram with Independently Controlled Images in Transmission and Reflection Spaces[J]. Advanced Functional Materials, 2019, 29(22): 1809145.

[20] CUI tie jun, LIU Shuo, BAI guo dong, et al. Direct Transmission of Digital Message via Programmable Coding Metasurface[J]. Research, 2019, 2019: 1-12.

[21] DING Guo-wen, CHEN Ke, QIAN Guang-xu, et al. Independent Energy Allocation of Dual-Helical Multi-Beams with Spin-Selective Transmissive Metasurface[J]. Advanced Optical Materials, 2020, 8(16): 2000342.

[22] GUO Wen-long, CHEN Ke, WANG Guang-ming, et al. Airy Beam Generation: Approaching Ideal Efficiency and Ultra Wideband with Reflective and Transmissive Metasurfaces[J]. Advanced Optical Materials, 2020, 8(21): 2000860.

[23] CHEN ming zheng, CHENG Qiang, XIA Fen, et al. Metasurface-Based Spatial Phasers for Analogue Signal Processing[J]. Advanced Optical Materials, 2020, 8(18): 2000128.

[24] BALANIS C A. Antenna Theory: Analysis and Design[M]. Hoboken: Wiley-Interscience, 2016.

[25] KNOTT E F, SHAEFFER J F, TULEY M T. Radar Cross Section[M]. Raleigh, NC: SciTech Pub, 2004.

[26] PENDRY J B, SCHURIG D, SMITH D R. Controlling Electromagnetic Fields[J]. Science, 2006, 312(5781): 1780-1782.

[27] SCHURIG D, MOCK J J, JUSTICE B J, et al. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies[J]. Science, 2006, 314(5801): 977-980.

[28] LI J, PENDRY J B. Hiding under the Carpet: A New Strategy for Cloaking[J]. Physical Review Letters, 2008, 101(20): 203901.

[29] LIU R, JI C, MOCK J J, et al. Broadband Ground-Plane Cloak[J]. Science, 2009, 323(5912): 366-369.

[30] MA Hui-feng, CUI Tie-jun. Three-Dimensional Broadband Ground-Plane Cloak Made of Metamaterials[J]. Nature Communications, 2010, 1(1): 1-6.

[31] VALENTINE J, LI J, ZENTGRAF T, et al. An Optical Cloak Made of Dielectrics[J]. Nature Materials, 2009, 8(7): 568-571.

[32] ERGIN T, STENGER N, BRENNER P, et al. Three-Dimensional Invisibility Cloak at Optical Wavelengths[J]. Science, 2010, 328(5976): 337-339.

[33] CHEN Xian-zhong, LUO Yu, ZHANG Jing-jing, et al. Macroscopic Invisibility Cloaking of Visible Light[J]. Nature Communications, 2011, 2(1): 1-6.

[34] CHEN Yi, ZHENG Ming-ye, LIU Xiao-ning, et al. Broadband Solid Cloak for Underwater Acoustics[J]. Physical Review B, 2017, 95(18): 180104.

[35] XU Hong-yi, SHI Xi-hang, GAO Fei, et al. Ultrathin Three-Dimensional Thermal Cloak[J]. Physical Review Letters, 2014, 112(5): 054301.

[36] JIANG Wei-xiang, LUO Chen-yang, GE Shuo, et al. An Optically Controllable Transformation-Dc Illusion Device[J]. Advanced Materials (Deerfield Beach, Fla), 2015, 27(31): 4628-4633.

[37] CHEN Tian-hang, ZHENG Bin, YANG Yi-hao, et al. Direct Current Remote Cloak for Arbitrary Objects[J]. Light: Science & Applications, 2019, 8(1): 1-6.

[38] PARK J, YOUN J R, SONG Y S. Hydrodynamic Metamaterial Cloak for Drag-Free Flow[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(7): 074502.

[39] ZOU Si-yuan, XU Ya-dong, ZATIANINA R, et al. Broadband Waveguide Cloak for Water Waves[J]. Physical Review Letters, 2019, 123(7): 074501.

[40] ALù A, ENGHETA N. Achieving Transparency with Plasmonic and Metamaterial Coatings[J]. Physical Review E, 2005, 72: 016623.

[41] EDWARDS B, ALù A, SILVEIRINHA M G, et al. Experimental Verification of Plasmonic Cloaking at Microwave Frequencies with Metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2009, 103(15): 153901.

[42] CHEN P Y, SORIC J, ALù A. Invisibility and Cloaking Based on Scattering Cancellation[J]. Advanced Materials, 2012, 24(44): 281-304.

[43] ALù A, ENGHETA N. Multifrequency Optical Invisibility Cloak with Layered Plasmonic Shells[J]. Physical Review Letters, 2008, 100(11): 113901.

[44] ALù A, ENGHETA N. Theory and Potentials of Multi-Layered Plasmonic Covers for Multi-Frequency Cloaking[J]. New Journal of Physics, 2008, 10(11): 115036.

[45] RAINWATER D, KERKHOFF A, MELIN K, et al. Experimental Verification of Three-Dimensional Plasmonic Cloaking in Free-Space[J]. New Journal of Physics, 2012, 14(1): 013054.

[46] ALù A. Mantle Cloak: Invisibility Induced by a Surface[J]. Physical Review B, 2009, 80(24): 245115.

[47] SORIC J C, MONTI A, TOSCANO A, et al. Multiband and Wideband Bilayer Mantle Cloaks[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(7): 3235-3240.

[48] MONTI A, SORIC J C, ALù A, et al. Anisotropic Mantle Cloaks for TM and TE Scattering Reduction[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(4): 1775-1788.

[49] TAY C Y, CHEN Zhi-ning, HEE D. Single-Layer Dual-Band Microwave Metasurface Cloak of Conducting Cylinder[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, 67(6): 4286-4290.

[50] MORENO G, YAKOVLEV A B, BERNETY H M, et al. Wideband Elliptical Metasurface Cloaks in Printed Antenna Technology[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2018, 66(7): 3512-3525.

[51] LIU Shuo, ZHANG Hao chi, XU He-xiu, et al. Nonideal Ultrathin Mantle Cloak for Electrically Large Conducting Cylinders[J]. Journal of the Optical Society of America A, Optics, Image Science, and Vision, 2014, 31(9): 2075-2082.

[52] LUO Xin-yao, GUO Wen-long, DING Guo-wen, et al. Composite Strategy for Backward-Scattering Reduction of a Wavelength-Scale Cylindrical Object by an Ultrathin Metasurface[J]. Physical Review Applied, 2019, 12(6): 064027.

[53] CHEN P Y, ARGYROPOULOS C, ALù A. Broadening the Cloaking Bandwidth with Non-Foster Metasurfaces[J]. Physical Review Letters, 2013, 111(23): 233001.

[54] SCHOFIELD R S, SORIC J C, RAINWATER D, et al. Scattering Suppression and Wideband Tunability of a Flexible Mantle Cloak for Finite-Length Conducting Rods[J]. New Journal of Physics, 2014, 16(6): 063063.

[55] LIU Shuo, XU He-xiu, ZHANG Hao chi, et al. Tunable Ultrathin Mantle Cloak via Varactor-Diode-Loaded Metasurface[J]. Optics Express, 2014, 22(11): 13403-13417.

[56] HAMZAVI-ZARGHANI Z, YAHAGHI A, MATEKOVITS L, et al. Tunable Mantle Cloaking Utilizing Graphene Metasurface for Terahertz Sensing Applications[J]. Optics Express, 2019, 27(24): 34824-34837.

[57] HAMZAVI-ZARGHANI Z, YAHAGHI A, MATEKOVITS L. Electrically Tunable Mantle Cloaking Utilizing Graphene Metasurface for Oblique Incidence[J]. AEU - International Journal of Electronics and Communications, 2020, 116: 153080.

[58] LUO Xin-yao, GUO Wen-long, CHEN Ke, et al. Active Cylindrical Metasurface with Spatial Reconfigurability for Tunable Backward Scattering Reduction[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2021, 69(6): 3332-3340.

[59] WANG Jia-fu, QU Shao-bo, XU Zhuo, et al. Super-Thin Cloaks Based on Microwave Networks[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(2): 748-754.

[60] WANG Jia-fu, QU Shao-bo, XU Zhuo, et al. Multifrequency Super-Thin Cloaks[J]. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 2014, 12(2): 130-137.

[61] RAJPUT A, SRIVASTAVA K V. Dual-Band Cloak Using Microstrip Patch with Embedded U-Shaped Slot[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 2848-2851.

[62] WANG Jia-fu, QU Shao-bo, ZHANG Jie-qiu, et al. Design of Super-Thin Cloaks with Arbitrary Shapes Using Interconnected Patches[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(1): 384-389.

[63] DELLA GIOVAMPAOLA C, ENGHETA N. Digital Metamaterials[J]. Nature Materials, 2014, 13(12): 1115-1121.

[64] CUI Tie-jun, QI Mei-qing, WAN Xiang, et al. Coding Metamaterials, Digital Metamaterials and Programmable Metamaterials[J]. Light: Science & Applications, 2014, 3(10): 218.

[65] ZHANG Cheng, CAO wen kang, YANG Jin, et al. Multiphysical Digital Coding Metamaterials for Independent Control of Broadband Electromagnetic and Acoustic Waves with a Large Variety of Functions[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(18): 17050-17055.

[66] ZHUANG Ya-qiang, WANG Guang-ming, LIANG Jian-gang, et al. Flexible and Polarization-Controllable Diffusion Metasurface with Optical Transparency[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, 50(46): 465102.

[67] ZHANG Jing, MEI Zhong-lei, ZHANG Wan-ru, et al. An Ultrathin Directional Carpet Cloak Based on Generalized Snell's Law[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(15): 151115.

[68] NI Xing-jie, WONG Z J, MREJEN M, et al. An Ultrathin Invisibility Skin Cloak for Visible Light[J]. Science, 2015, 349(6254): 1310-1314.

[69] YANG Jia-ning, HUANG Cheng, WU Xiao-yu, et al. Dual-Wavelength Carpet Cloak Using Ultrathin Metasurface[J]. Advanced Optical Materials, 2018, 6(14): 1800073.

[70] JIANG Zi-jie, LIANG Qing-xuan, LI Zhao-hui, et al. Experimental Demonstration of a 3D-Printed Arched Metasurface Carpet Cloak[J]. Advanced Optical Materials, 2019, 7(15): 1900475.

[71] HUANG Cheng, YANG Jia-ning, WU Xiao-yu, et al. Reconfigurable Metasurface Cloak for Dynamical Electromagnetic Illusions[J]. ACS Photonics, 2018, 5(5): 1718-1725.

[72] QIAN Chao, ZHENG Bin, SHEN Yi-chen, et al. Deep-Learning-Enabled Self-Adaptive Microwave Cloak without Human Intervention[J]. Nature Photonics, 2020, 14(6): 383-390.

[73] CHEN Ke, CUI Li, FENG Yi-jun, et al. Coding Metasurface for Broadband Microwave Scattering Reduction with Optical Transparency[J]. Optics Express, 2017, 25(5): 5571-5579.

Recent Progress on Metamaterial Cloaking

LUO Xin-yao, WANG Shen-yun

(School of Electronics & Information Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

The work aims to explore the application background of metamaterial cloaking, review its state-of-the-art progress, and prospect its development trend. Based on the basic principles of operation, the realization methods of several popular metamaterial cloaking methods were discussed, including transformation-based optics, plasmonic and mantle cloaking, cloaking based on microwave network, and phase-tailoring metasurface cloaking. The results demonstrated that the development of metamaterial provided brand-new idea for design of cloaks and promoted the development of miniaturization, integration, digitization, and intelligence of the cloaks. At last, the research progress of metamaterial clocking is overviewed and a brief perspective on its development trend is given.

metamaterial; metasurface; cloaking

TN015

A

1001-3563(2023)09-0120-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.015

2023?03?31

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61971231）

羅歆瑤（1992—），女，博士。

王身云（1981—），男，博士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋