景 致, 張 健

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110158；2.電磁信息控制與效應(yīng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110035）

超材料（metamaterial）是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料，因其具有超常的物理性質(zhì)和極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性而受到廣泛關(guān)注。自然界材料由原子電子的規(guī)律排布組成，具有固定的材料屬性。而超材料是一種人工設(shè)計(jì)的材料，一般通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)來(lái)突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有物理性質(zhì)的新材料。

超材料是由蘇聯(lián)理論物理學(xué)家Veselago[1]首先提出的。Pendry等[2]設(shè)計(jì)開(kāi)口諧振環(huán)周期結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁響應(yīng)。Smith等[3]實(shí)驗(yàn)制備了開(kāi)口諧振環(huán)型超材料，首次實(shí)現(xiàn)了微波波段的負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，證明了負(fù)折射率材料的存在。Parazzoli等[4]在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直接觀測(cè)到了負(fù)折射現(xiàn)象。至此超材料技術(shù)走入人們的視野并逐漸成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。電磁超材料是超材料中最重要的分支，具有常規(guī)材料所不具備的電磁調(diào)控能力或電磁吸收能力，在民用、軍工領(lǐng)域被廣泛研究。

本文首先介紹電磁調(diào)控型超材料、電磁吸收型超材料、主動(dòng)可調(diào)型超材料和智能超材料的最新研究進(jìn)展，然后介紹航空電磁超材料的應(yīng)用研究進(jìn)展，分析電磁超材料的優(yōu)勢(shì)以及走向工程應(yīng)用所面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，最后給出航空電磁超材料的發(fā)展建議。

1 電磁超材料研究進(jìn)展

電磁超材料是一種由人工合成的具有超常電磁學(xué)和光學(xué)特性的結(jié)構(gòu)型材料[5]。通過(guò)亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)的周期性排布，可實(shí)現(xiàn)特定頻段內(nèi)電磁波的高效吸收、電磁波傳播路徑的調(diào)控和電磁波頻率選擇性透過(guò)，為隱身設(shè)計(jì)提供了全新的技術(shù)途徑。

基于超材料的負(fù)折射效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播路徑的調(diào)控，產(chǎn)生電磁偏折、極化旋轉(zhuǎn)等物理現(xiàn)象。Pendry等[6]提出超材料能夠改變電磁波的傳播方向從而實(shí)現(xiàn)隱形，原理模型如圖1，電磁波在穿過(guò)超材料的過(guò)程中可以產(chǎn)生負(fù)折射效應(yīng)，使電磁波的傳播方向發(fā)生連續(xù)漸變，最終使電磁波繞過(guò)目標(biāo)而不產(chǎn)生電磁回波，實(shí)現(xiàn)隱形。Schurig等[7]提出了超材料隱身衣的設(shè)計(jì)理論，Liu等[8]實(shí)現(xiàn)了超材料隱身衣的設(shè)計(jì)與制備，實(shí)驗(yàn)證明了超材料實(shí)現(xiàn)完美隱身的可行性。Huang等[9]設(shè)計(jì)了石墨烯超材料，在太赫茲實(shí)現(xiàn)了電磁波極化轉(zhuǎn)換和不對(duì)稱傳輸。Comley[10]基于等效電路法設(shè)計(jì)了一種超材料，該超材料會(huì)根據(jù)電磁波長(zhǎng)而改變電磁波傳輸?shù)臅r(shí)間響應(yīng)和光學(xué)相響應(yīng)，可用于調(diào)控特定波長(zhǎng)激光束的聚焦特性。Huang等[11]設(shè)計(jì)了一種由雙層超表面組成的超材料，頂層超表面由兩個(gè)不同維度的交叉線結(jié)構(gòu)組成，用于產(chǎn)生180°的相位響應(yīng)，底層超表面通過(guò)Ⅰ形圖案的拓?fù)渥冃螌?shí)現(xiàn)相位梯度分布，該超材料在K波段具有良好的電磁偏折效果。

圖1 電磁波繞過(guò)物體[6]Fig. 1 Electromagnetic wave bypassing a ball[6]

電磁超材料對(duì)入射電磁波具有強(qiáng)諧振效應(yīng)，可表現(xiàn)出優(yōu)秀的電磁吸收特性。Landy等[12]基于超材料的電磁諧振耦合特性提出了一種具有“完美”吸波特性的超材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元由電諧振環(huán)、損耗介質(zhì)和金屬微帶線組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該超材料吸波體在窄頻帶內(nèi)幾乎可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的完全吸收。Tao等[13]設(shè)計(jì)了由兩種開(kāi)口諧振環(huán)單元組成的超材料吸波體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在1.4 THz 和3.0 THz 的吸收率分別可達(dá)0.85 和0.94。Liu等[14]將兩種十字型諧振單元組成棋盤狀超材料吸波體，對(duì)波長(zhǎng)為6.18 μm和8.32 μm的電磁波吸收率分別達(dá)到 0.8和0.935。Grant等[15]設(shè)計(jì)了一種工作在太赫茲頻段的寬帶超材料吸波體，通過(guò)將不同尺寸的諧振單元組合以產(chǎn)生多個(gè)諧振吸收峰，實(shí)現(xiàn)了吸波帶寬的有效拓展，實(shí)驗(yàn)測(cè)得該吸波體吸收率大于60%的頻率帶寬為1.86 THz。Zhang等[16-17]采用等效電路理論，建立了周期結(jié)構(gòu)電磁吸波的約束方程，基于約束方程進(jìn)行周期結(jié)構(gòu)多諧振設(shè)計(jì)，相比Salisbury吸波屏[18]吸收帶寬得到有效拓展且總厚度僅為59%。Xiao等[19-20]將表面等離激元效應(yīng)與超材料技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)金屬的等效等離子體頻率，使得超材料與入射波的電場(chǎng)發(fā)生共振響應(yīng)，設(shè)計(jì)的超材料吸波體具有很高的電磁吸收效率。Long等[21]將多層尺寸漸變方形單元沿材料厚度方向疊加，設(shè)計(jì)了一種類金字塔型的超材料吸波體，在7～18 GHz頻率范圍內(nèi)的吸收效率超過(guò)90%，相比相同厚度的單層超材料吸波帶寬提高了38%。Cen等[22]設(shè)計(jì)了啞鈴形石墨烯超材料，研究了該種材料在太赫茲頻段的吸收特性，提出通過(guò)改變石墨烯單元幾何參數(shù)和費(fèi)米能級(jí)，可以改變超材料的吸收特性。Kim等[23]提出了非線性超材料的概念，這種超材料會(huì)根據(jù)表面波能量的大小改變吸收效率，該超材料本質(zhì)上是一種非線性電路，表面波能量越大其吸收效率就越高，因此表面波在該超材料上的傳播具有低能量通過(guò)、高能量吸收的特性。Cheng等[24]設(shè)計(jì)了一種兼?zhèn)涔鈱W(xué)透明和微波吸收特性的超材料，該超材料由風(fēng)車形單元組成，在8.3～17.4 GHz頻帶內(nèi)吸收率大于90%，同時(shí)通過(guò)使用具有中等表面電阻的氧化銦錫（ITO）薄膜實(shí)現(xiàn)了較高的光學(xué)透射率。禮嵩明等[25-26]將超材料與傳統(tǒng)吸波蜂窩相結(jié)合，制備了蜂窩夾層型吸波超材料，該超材料吸波體相比普通吸波蜂窩寬頻吸波性能均有顯著提升，2～18 GHz的平均吸收效率從7 dB提高到12 dB。

超材料周期結(jié)構(gòu)可以與可調(diào)器件一起印刷在電路板上，實(shí)現(xiàn)材料電磁響應(yīng)的主動(dòng)可調(diào)。Cui等[27-28]研究了一種數(shù)字編碼超材料，將超材料單元與開(kāi)關(guān)二極管、變?nèi)荻O管或 MEMS 等可調(diào)器件相結(jié)合設(shè)計(jì)，通過(guò)改變可調(diào)器件的工作狀態(tài)即可改變超材料的相位響應(yīng)和電磁特性，并將所有的編碼程序?qū)戇M(jìn)外圍的控制電路，以用來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)控可調(diào)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)超材料電磁性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程。Wang等[29]、韓亞娟等[30]基于表面等離激元效應(yīng)，設(shè)計(jì)了超材料天線并采用印刷電路板技術(shù)加工，相較于傳統(tǒng)天線體積小、剖面低、設(shè)計(jì)自由度高，且與微波電路兼容。黃金國(guó)等[31]在超材料結(jié)構(gòu)中引入電阻和有源變?nèi)荻O管，通過(guò)改變外加電壓實(shí)現(xiàn)吸波頻帶的動(dòng)態(tài)可調(diào)，在3.7倍頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸波頻段的自調(diào)節(jié)，吸波體的總厚度僅為波長(zhǎng)的1/180，相比于傳統(tǒng)吸波材料厚度更薄、吸波性能更佳。

智能超材料是電磁超材料未來(lái)重要的發(fā)展方向。于相龍等[32]研究了智能電磁超材料、智能機(jī)械超材料、智能熱學(xué)超材料和智能耦合超材料的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了智能超材料研究的關(guān)鍵技術(shù)——新型設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、材料制備技術(shù)和材料基因工程，論述了智能超材料在微型天線及無(wú)線互聯(lián)、光電磁隱身、醫(yī)用完美成像、航空航天或汽車智能蒙皮、精密儀器制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。蔣衛(wèi)祥等[33]梳理了數(shù)字編碼超表面的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹其在可編程與智能電磁調(diào)控領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。劉晨陽(yáng)等[34]將超材料智能表面應(yīng)用于MIMO無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，研究了智能超表面的反射單元組成、有源單元數(shù)量等因素對(duì)移動(dòng)傳輸速率的影響。

2 航空電磁超材料應(yīng)用研究進(jìn)展

基于超材料對(duì)電磁波的調(diào)控或吸收特性可設(shè)計(jì)超材料隱身結(jié)構(gòu)[35-36]，是航空武器裝備提升隱身性能的一項(xiàng)重要技術(shù)途徑。航空電磁超材料根據(jù)電磁調(diào)控機(jī)理可分三類：其一是電磁偏折超材料[37-38]，主要利用超材料改變電磁波的透射、反射特性，將雷達(dá)信號(hào)反射到傳感器接收不到的方位，實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的降低；其二是吸波超材料，通過(guò)阻抗?jié)u變?cè)O(shè)計(jì)[39-43]、電磁諧振設(shè)計(jì)[44-47]等方式吸收雷達(dá)波，實(shí)現(xiàn)電磁散射強(qiáng)度的降低；其三是頻率選擇超材料[48-50]，基于周期結(jié)構(gòu)的濾波特性實(shí)現(xiàn)電磁波的頻率選擇透過(guò)，提升雷達(dá)罩、天線罩的隱身性能。本章分別介紹了三類電磁超材料在航空武器裝備上的應(yīng)用研究情況，并分析電磁超材料相比傳統(tǒng)吸波材料的優(yōu)勢(shì)。

2.1 電磁偏折超材料

電磁偏折超材料是基于超材料對(duì)電磁波傳播方向的調(diào)控作用實(shí)現(xiàn)隱身。電磁偏折產(chǎn)生原理見(jiàn)圖2，通過(guò)超材料微結(jié)構(gòu)單元的尺寸、角度漸變?cè)O(shè)計(jì)，可使電磁波在穿過(guò)相鄰超材料單元的過(guò)程中產(chǎn)生光程差，形成電磁回波相位梯度變化或極化變化[51-52]，實(shí)現(xiàn)電磁波回波方向或極化方向的改變。

圖2 電磁偏折超材料作用原理Fig. 2 Mechanism of electromagnetic deflection metamaterial

電磁偏折超材料可以改變電磁波的反射方向，適用于解決鏡面回波類散射問(wèn)題。如圖3所示的F-15飛機(jī)，其垂尾側(cè)壁面接近于垂直水平面，法向的鏡面回波散射量值很高。如果在垂尾側(cè)壁面采用電磁偏折超材料，即可將電磁波反射到傳感器接收不到的方位，有效降低垂尾的側(cè)向強(qiáng)散射。

圖3 電磁偏折超材料應(yīng)用設(shè)想Fig. 3 Application assumption of electromagnetic deflection metamaterial

隱身飛機(jī)的垂尾、機(jī)身側(cè)壁面均采用傾斜設(shè)計(jì)，在物理上已實(shí)現(xiàn)鏡面散射的回波偏離，因此電磁偏折類超材料只在F-15這類非隱身飛機(jī)上有應(yīng)用前景。目前電磁偏折類超材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)窄帶電磁波反射方向的調(diào)控[53-55]，不具備寬頻隱身能力，無(wú)法滿足工程應(yīng)用需求。目前鮮見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道或文獻(xiàn)顯示電磁偏折類超材料在航空武器裝備上應(yīng)用。

2.2 電磁吸收超材料

電磁吸收超材料是基于超材料的諧振效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定頻段電磁波的強(qiáng)衰減。電磁諧振效應(yīng)與電磁波的波長(zhǎng)具有強(qiáng)相關(guān)性，大量研究[56-60]表明，超材料在諧振頻帶內(nèi)具有優(yōu)秀的吸波性能，但在諧振頻帶外吸波性能會(huì)迅速下降，如何提升吸波帶寬是電磁吸收超材料的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。在超材料設(shè)計(jì)中引入電磁損耗材料是提高其吸波帶寬的一種有效途徑，目前一般是將超材料與吸波蜂窩/泡沫/層板相結(jié)合[25-26]，利用超材料的阻抗匹配特性、電磁諧振特性拓展吸波帶寬，實(shí)現(xiàn)寬頻電磁波吸收（圖4）。

圖4 超材料吸波結(jié)構(gòu)示意圖[25]Fig. 4 Schematic diagram of metamaterial wave absorbing structure[25]

飛機(jī)的翼面邊緣是強(qiáng)散射源，采用超材料吸波結(jié)構(gòu)是提升其隱身性能的有效手段。翼面邊緣散射按散射機(jī)理可分為前緣柱面散射和后緣行波散射，基于超材料的電磁諧振吸收特性可降低前緣柱面散射，基于超材料的阻抗匹配特性可降低后緣行波散射。有資料顯示美國(guó)的F-35等飛機(jī)在翼面邊緣部位應(yīng)用了超材料吸波結(jié)構(gòu)。

2.3 頻率選擇超材料

頻率選擇超材料是通過(guò)微結(jié)構(gòu)單元形狀、尺寸、排布、取向等參數(shù)的定向設(shè)計(jì)，使不同頻率的電磁波在穿過(guò)超材料時(shí)表現(xiàn)出不同的透射現(xiàn)象[61-63]。圖5是一種頻率選擇超材料的S參數(shù)仿真結(jié)果，其在4.5 GHz 處產(chǎn)生了一個(gè)帶寬約為0.5 GHz的阻帶，帶內(nèi)電磁波強(qiáng)反射，帶外電磁波強(qiáng)透射。

圖5 頻率選擇超材料S參數(shù)仿真結(jié)果Fig. 5 S-parameter simulation results of frequency-selective metamaterial

對(duì)于隱身飛機(jī)，雷達(dá)/天線罩在輻射頻帶內(nèi)電磁波高透過(guò)、在非輻射頻帶內(nèi)電磁波強(qiáng)截止是主要設(shè)計(jì)目標(biāo)?；诔牧项l率選擇特性設(shè)計(jì)的隱身雷達(dá)/天線罩具有優(yōu)秀的帶內(nèi)高透過(guò)、帶外強(qiáng)截止特性，相比傳統(tǒng)雷達(dá)/天線罩隱身性能更好。國(guó)內(nèi)外的隱身雷達(dá)/天線罩大多采用了頻率選擇超材料技術(shù)。

2.4 電磁超材料的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

大量應(yīng)用研究表明，電磁超材料相比傳統(tǒng)隱身材料的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為兩方面。一方面，電磁超材料可以調(diào)控電磁波的傳輸特性，特定頻率的電磁波在超材料表面會(huì)產(chǎn)生電磁偏折、頻率選擇性透過(guò)等現(xiàn)象，為隱身設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)手段。另一方面，超材料具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)不同的散射機(jī)理針對(duì)性設(shè)計(jì)吸收方案，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的吸波效果。

雖然電磁超材料已取得了一些應(yīng)用研究成果，但更好地應(yīng)用于航空武器裝備還面臨三方面挑戰(zhàn)。第一，受現(xiàn)有仿真方法和能力制約，在超材料隱身結(jié)構(gòu)電磁散射特性分析過(guò)程中需要對(duì)電磁模型和電磁參數(shù)進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化、等效處理，仿真評(píng)估結(jié)果與真實(shí)情況存在一定偏差，方案設(shè)計(jì)迭代還大量依賴實(shí)物測(cè)試，導(dǎo)致研制周期長(zhǎng)、成本高。第二，隱身技術(shù)是降低目標(biāo)與背景對(duì)比度的技術(shù)，由于天空背景是極低散射，所以航空武器裝備對(duì)于隱身性能的追求是電磁散射盡可能低。超材料隱身結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)應(yīng)用于翼面邊緣等強(qiáng)散射部位，由于使用部位本身具有較高的散射量值，所以需要超材料具有很強(qiáng)的吸波性能。目前超材料相比傳統(tǒng)隱身材料在低頻有比較明顯的性能優(yōu)勢(shì)，但高頻下性能接近，寬頻吸波性能還需提升。同時(shí)，超材料的微結(jié)構(gòu)單元自身在某些情況下會(huì)產(chǎn)生次級(jí)散射。如何在進(jìn)一步提升超材料隱身結(jié)構(gòu)吸波性能的同時(shí)降低自身次級(jí)散射，是航空電磁超材料設(shè)計(jì)上面臨的挑戰(zhàn)。第三，航空武器裝備使用環(huán)境伴隨振動(dòng)、高溫等極端環(huán)境，因此超材料結(jié)構(gòu)不僅要質(zhì)量輕，還需具有高強(qiáng)度、耐環(huán)境性能和高可靠性。同時(shí)為滿足飛機(jī)功能性需求，超材料結(jié)構(gòu)還需要有寬頻、高效的電磁吸波能力。如何在有限的空間內(nèi)和嚴(yán)格的質(zhì)量條件約束下滿足隱身、強(qiáng)度、耐環(huán)境等多種性能要求，是超材料從理論研究走向工程應(yīng)用需要解決的瓶頸問(wèn)題。

3 航空電磁超材料發(fā)展建議

電磁超材料對(duì)雷達(dá)波有很強(qiáng)的調(diào)控或吸收效應(yīng)，是航空武器裝備隱身設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。航空電磁超材料從作用機(jī)理上可分為電磁偏折型、電磁吸收型和頻率選擇型三類，目前已在部分航空武器裝備上應(yīng)用，隱身效果雖優(yōu)于傳統(tǒng)吸波材料或吸波結(jié)構(gòu)，但性能仍有優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。在有限質(zhì)量、空間條件約束下，滿足強(qiáng)度、耐環(huán)境要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的隱身性能，是航空電磁超材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前電磁超材料設(shè)計(jì)主要依賴于電磁仿真，仿真能力直接決定了方案的迭代速度和最大可設(shè)計(jì)規(guī)模，建立大型仿真環(huán)境是開(kāi)展超材料應(yīng)用研究的必要條件，同時(shí)還應(yīng)該建立超材料微結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，收錄典型微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能參數(shù)，加快方案設(shè)計(jì)收斂速度。

隨著探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，一方面探測(cè)器的靈敏度越來(lái)越高，另一方面探測(cè)器的工作頻譜從雷達(dá)、紅外、可見(jiàn)光波段拓展到紫外、激光波段。為適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)需求，電磁超材料需要從拓展吸波頻譜、增強(qiáng)吸波性能、吸波智能可調(diào)三方面發(fā)展。

（1）拓展吸波頻譜：目前航空電磁超材料主要針對(duì)雷達(dá)波設(shè)計(jì)，僅對(duì)波長(zhǎng)為毫米到米級(jí)的電磁波有良好吸收效果?？紤]未來(lái)探測(cè)威脅，電磁超材料的吸波頻譜應(yīng)進(jìn)一步向紅外、紫外、激光拓展。

（2）增強(qiáng)吸波性能：隨著航空武器裝備對(duì)隱身能力需求的不斷提高，航空電磁超材料的吸波性能也需進(jìn)一步提升。為滿足未來(lái)航空武器裝備需求，需要突破現(xiàn)有吸波機(jī)理，持續(xù)針對(duì)設(shè)計(jì)和工藝方案開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化提升航空電磁超材料的寬頻吸波性能。

（3）吸波智能可調(diào)：將電磁超材料與可調(diào)器件結(jié)合設(shè)計(jì)，通過(guò)有源加載改變可調(diào)器件的工作狀態(tài)可以調(diào)控超材料的電磁響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)超材料吸波頻段的智能可調(diào)。采用智能可調(diào)設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步拓展超材料的吸波帶寬，甚至有希望在多個(gè)頻譜同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁吸收。