王彥朝 許河秀 王朝輝 王明照 王少杰

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

電磁吸波技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,但傳統(tǒng)吸波技術(shù)不能滿足現(xiàn)代吸波材料新的需求,基于超材料的吸波體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕薄、吸收率高等優(yōu)點(diǎn),并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的靈活調(diào)控,使得電磁吸波領(lǐng)域獲得了飛速發(fā)展.本文針對(duì)電磁超材料吸波研究進(jìn)行了綜述,首先介紹了電磁超材料吸波方法與機(jī)理,指出了研究中遇到的瓶頸問題.其次針對(duì)吸波關(guān)鍵技術(shù)難題分別從多頻及寬頻帶吸波、極化和角度不敏感吸波、動(dòng)態(tài)可調(diào)吸波三個(gè)方面介紹了目前電磁超材料吸波體的研究進(jìn)展.盡管研究學(xué)者們?cè)诔牧衔ǚ较蛞炎隽撕芏喙ぷ?仍面臨著諸多問題和挑戰(zhàn).為了更好地預(yù)示未來研究,本文從高性能、多功能、新三維結(jié)構(gòu)三個(gè)角度對(duì)超材料吸波體的研究方向進(jìn)行了展望,包括突破波長(zhǎng)限制的低頻超薄寬帶超材料吸波體、能應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的多功能集成超材料吸波體以及隨3D打印技術(shù)而興起的新型三維結(jié)構(gòu)超材料吸波體.最后結(jié)合超材料在隱身領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步總結(jié)了超材料吸波應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢(shì).

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜,對(duì)武器裝備的隱身性能和電磁兼容要求也日益提高,傳統(tǒng)雷達(dá)吸波材料已經(jīng)難以滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求.隨著電子設(shè)備的不斷發(fā)展,多天線干擾問題、電磁輻射和污染問題也愈加嚴(yán)重.電磁吸波技術(shù)不僅可以為隱身技術(shù)、電磁兼容提供解決方案,也可以用來抑制電磁輻射污染,此外在能量收集、傳感和探測(cè)等諸多方面也有廣闊的應(yīng)用前景[1?3],因而無論在軍用還是民用領(lǐng)域都受到廣泛關(guān)注和研究.

所謂電磁吸波是指通過使用高損耗材料或強(qiáng)諧振結(jié)構(gòu)將入射電磁波的能量耗散和吸收掉.通常來說電磁吸波需滿足兩個(gè)基本條件: 一是通過阻抗匹配使入射波最大限度地進(jìn)入材料內(nèi)部,二是通過良好的衰減特性將能量耗散掉.電磁吸波技術(shù)是通過涂覆吸波劑和吸波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)性能和武器裝備隱身性能的提升[3].由于傳統(tǒng)吸波劑(如鐵磁性材料等)性能不足推動(dòng)了納米材料等新型吸波材料的研究[4],而吸波結(jié)構(gòu)具有承載和降低雷達(dá)散射截面 (radar cross section,RCS)的雙重功效,自第二次世界大戰(zhàn)起就引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛興趣[5].經(jīng)典的吸波結(jié)構(gòu)如 Salisbury屏、Jaumann層吸波體、Dallenbach吸波結(jié)構(gòu)等[6?8],一直存在體積大、帶寬窄的問題,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)吸收帶寬隨電阻屏層數(shù)的增加會(huì)有所改善,但急劇增加的厚度和有限的參數(shù)調(diào)控自由度使應(yīng)用十分受限,難于推廣.超材料的出現(xiàn)一定程度上為上述問題提供了部分解決方案.與傳統(tǒng)吸波技術(shù)相比,基于超材料的吸波體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕薄、吸收率高等優(yōu)點(diǎn),并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的靈活調(diào)控,在國(guó)防領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值,成為電磁吸波技術(shù)的重要研究方向.

2 電磁超材料吸波方法與瓶頸

電磁超材料(metamaterial)是指人們依據(jù)電磁理論設(shè)計(jì)出來的具有某種電響應(yīng)或者磁響應(yīng)的“特異”人工材料,通常由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元按周期或有規(guī)律的非周期的方式排列組合而成[9].從最初理論預(yù)測(cè)[10]到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[11,12],超材料經(jīng)過人工設(shè)計(jì)可呈現(xiàn)出諸多自然界不存在的“特異”性質(zhì),如負(fù)折射率、反常多普勒效應(yīng)、反常切連科夫輻射等[13?15].在經(jīng)歷短暫質(zhì)疑后超材料被人們所接受,并兩度被Science雜志評(píng)為年度十大科技進(jìn)展之一.經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展,從左手材料、完美透鏡、隱身斗篷等早期應(yīng)用研究[16?20],到當(dāng)下備受矚目的相位梯度超表面[21?23]、可編碼超材料[24?26]等新概念,超材料已不僅僅是一種新型材料形態(tài),更代表著一種全新的材料設(shè)計(jì)理念.通過設(shè)計(jì)單元的結(jié)構(gòu)、排布方式以及設(shè)置電磁參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)散射電磁波的頻率、極化、幅度和相位等特性的靈活調(diào)控,因此超材料被廣泛應(yīng)用于多功能器件、電磁隱身、極化控制與高性能天線等領(lǐng)域[27?32].

在超材料的早期研究中,人們關(guān)注的重點(diǎn)是如何解決高損耗和強(qiáng)色散的問題.由于諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的高損耗曾為超材料在潛在應(yīng)用上帶來很大難題,這反而成為超材料吸波體應(yīng)用的優(yōu)勢(shì).超材料吸波體主要是利用自身結(jié)構(gòu)的諧振損耗吸收電磁波.根據(jù)損耗機(jī)理不同可以將吸波材料分為電阻損耗型、介質(zhì)電損耗型和磁損耗型[33?37].磁損耗型吸波材料通常采用鐵氧體、羰基鐵粉等具有磁性的材料作為吸收劑,相比而言具有厚度小、吸波頻帶寬、低頻吸波效果好等優(yōu)點(diǎn),但是密度大、質(zhì)量重[35],且一般磁性會(huì)受到溫度的限制,在高溫下會(huì)失去吸波性能,所以磁性吸波材料通常只應(yīng)用于中常溫電磁吸波.而高溫吸波材料大多選取電損耗型吸波材料(包括碳化硅、碳纖維、石墨等),主要通過設(shè)計(jì)多層材料的電磁匹配、調(diào)控材料的復(fù)介電常數(shù)等方式來提高吸波性能[36].

超材料的吸波性能可通過吸波率A(ω) 來衡量,它與反射率R(ω) 和透射率T(ω) 的關(guān)系式如下:

人們據(jù)此提出用阻抗匹配法設(shè)計(jì)吸波體,通過合理設(shè)計(jì)超材料的單元結(jié)構(gòu)使其等效電磁參數(shù)(介電常數(shù)和磁導(dǎo)率)相等,使其滿足下面的阻抗匹配關(guān)系:

其中,Z1為材料的波阻抗,Z0為自由空間中波阻抗,通過匹配使入射波無反射地進(jìn)入到吸波結(jié)構(gòu)中,而能量損耗由復(fù)等效電磁參數(shù)的虛部來貢獻(xiàn),故通過對(duì)虛部進(jìn)行設(shè)計(jì)可使能量最大限度耗散,從而減少透射,最終實(shí)現(xiàn)完美吸波.超材料完美吸波體是由Landy等[33]于2008年首次提出,他們利用如圖1所示的電開口諧振環(huán)、介質(zhì)層和金屬線作為單元結(jié)構(gòu)率先實(shí)現(xiàn)了在微波頻段的完美吸波,仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在11.65 GHz的吸收率高達(dá)99%,且不受傳統(tǒng)吸波厚度限制,尺寸較小,但仍存在頻帶窄、極化敏感、調(diào)控不靈活等不足.不過這項(xiàng)開創(chuàng)性工作很快激發(fā)了其他頻率領(lǐng)域的相關(guān)工作,隨著研究的深入已經(jīng)覆蓋從微波到可見光等各個(gè)頻段[38?41].

圖1 超材料完美吸波體 (a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 吸波性能的仿真結(jié)果Fig.1.Perfect metamaterial absorber: (a) The schematic of a unit cell;(b) simulation results for the absorption.

為了更好地設(shè)計(jì)和優(yōu)化吸波結(jié)構(gòu),研究者們先后提出了等效媒質(zhì)理論、等效電路理論、多級(jí)反射干涉理論等多種方法來對(duì)超材料吸波機(jī)理進(jìn)行分析[42?48].由于超材料的周期單元是亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu),可以將超材料整體視為均勻媒質(zhì),通過等效媒質(zhì)理論[43,44]來進(jìn)行分析,其等效電磁參數(shù)可利用反演法[45,46]由散射參數(shù)逆向推出,這種方法起初作為驗(yàn)證負(fù)折射率的有效手段廣受歡迎,但其缺乏對(duì)單元結(jié)構(gòu)間的相互作用分析.進(jìn)而人們基于傳輸線理論提出了等效電路法[37,47],將吸波體的物理結(jié)構(gòu)等效為含有集總參數(shù)的電路來對(duì)吸波特性進(jìn)行定量分析,可以更直觀地描述和理解結(jié)構(gòu)所起的作用和工作機(jī)理.而對(duì)于多層結(jié)構(gòu),可用多級(jí)反射干涉法對(duì)傳輸過程進(jìn)行分析[48].電磁波的反射和透射系數(shù) 分 別 用來表 示,透射波以為相位繼續(xù)傳輸,總反射系數(shù)可根據(jù)所提取的吸波材料界面的反射和透射系數(shù)來算出:

其他分析方法包括諧振腔理論、Fabry-Perot腔體理論、Mie散射理論和模式分析方法等[49?51].雖然上述方法在應(yīng)用中仍有不足,但利用仿真軟件通過數(shù)值算法優(yōu)化可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并彌補(bǔ)性能不足.就結(jié)構(gòu)而言可將超材料吸波體大致分為三類: 單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和三維立體結(jié)構(gòu).目前最常見的是“三明治”型超材料吸波體,即由“金屬-介質(zhì)-金屬”三層構(gòu)造,在介質(zhì)板表層刻蝕金屬圖案以提供電諧振,底部采用金屬板以防止電磁波透過,金屬板與表層金屬結(jié)構(gòu)耦合形成磁諧振器.雖然這種構(gòu)造普遍能夠接近完美吸波,但基于強(qiáng)諧振理論只能實(shí)現(xiàn)窄帶吸波,而且平面結(jié)構(gòu)對(duì)于極化和角度都比較敏感[52],不能保持良好的穩(wěn)定性.針對(duì)以上瓶頸問題,目前的主要研究方向有多頻及寬頻吸波、極化和角度不敏感電磁吸波、動(dòng)態(tài)可調(diào)吸波等,主要研究?jī)?nèi)容包括: 理論與機(jī)制研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究、應(yīng)用和測(cè)試技術(shù)研究等.超材料吸波體的可設(shè)計(jì)性為新型器件的發(fā)展提供了新的機(jī)遇.

3 電磁超材料吸波體研究進(jìn)展

“完美吸波體”雖然吸波效率高但仍存在帶寬窄、極化敏感、角度敏感、調(diào)控不靈活等關(guān)鍵技術(shù)難題,為了攻克上述難題,研究人員后續(xù)進(jìn)行了大量有益探索,這也深入推進(jìn)了電磁超材料吸波體的相關(guān)研究,下面分別從多頻及寬頻帶、極化和角度不敏感、可調(diào)性等方面對(duì)研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)綜述.

3.1 多頻及寬頻超材料吸波體

早期的多頻帶吸波體可以通過設(shè)計(jì)具有多模式諧振的獨(dú)特單元結(jié)構(gòu)[53?55]或者將具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單元通過嵌套或陣列排布等方式進(jìn)行復(fù)合[56?58]來實(shí)現(xiàn).如圖2所示,Xu等[55]將分形結(jié)構(gòu)引入超材料吸波體設(shè)計(jì),利用分形結(jié)構(gòu)的自相似性并通過巧妙構(gòu)建多個(gè)局域諧振回路,獲得了S、C和X波段同時(shí)工作的三頻吸波體,三個(gè)工作頻段內(nèi)吸收率均大于90%且具有極化不敏感和寬角度入射特性,上述性能得益于吸波體的對(duì)稱性以及分形結(jié)構(gòu)的自我填充特性,使得單元結(jié)構(gòu)非常電小,一定程度上具有大角度吸波特性.Shen等[56]設(shè)計(jì)出一款三頻段超材料吸波體,其吸波單元結(jié)構(gòu)是由三個(gè)不同尺寸的方形金屬環(huán)嵌套而成,最終在4.06,6.73和9.22 GHz 分別實(shí)現(xiàn)了 99%,93%,95% 的吸收率.多頻吸波體已被廣泛應(yīng)用在天線、濾波器、電磁屏蔽等領(lǐng)域.

在多頻帶的基礎(chǔ)上,研究人員考慮利用多個(gè)或者多層工作在相鄰頻點(diǎn)的諧振單元復(fù)合在一起來擴(kuò)展吸波帶寬,例如Huang等[59]設(shè)計(jì)了如圖3(a)所示的寬頻吸波體,其單元結(jié)構(gòu)由不同幾何尺寸的I型結(jié)構(gòu)組成,每個(gè)I型結(jié)構(gòu)都會(huì)引入一個(gè)吸收峰,最終材料整體呈現(xiàn)的吸波特性就是通過這幾個(gè)吸收峰的疊加來實(shí)現(xiàn).而由于吸收峰數(shù)目和單個(gè)帶寬的限制,使得吸收峰組合的方式所拓展的帶寬有限.研究學(xué)者提出多層吸波的方案,可以通過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)使得每層的折射率不同,利用入射波與反射波干涉相消達(dá)到吸波的目的[60?68].2012年Ding等[63]利用超材料的慢波特性設(shè)計(jì)了一款多層金字塔結(jié)構(gòu)的超寬帶吸波體,垂直入射下可在7.8—14.7 GHz實(shí)現(xiàn)90%以上的吸收率,并在入射角小于60°范圍內(nèi)保持良好吸收.相比較而言,采用多層堆疊的方法雖然能夠有效拓展帶寬,但增加了吸波體的厚度,更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也為制造帶來了困難.在尺寸一定的條件下,利用加載集總元件的方式可以改善品質(zhì)因數(shù)從而有效拓展帶寬[65],而集總元件的引入阻礙了吸波體單元的小型化.此外,利用電阻膜在微波頻段頻散特性弱的特點(diǎn),或利用人工表面等離激元 (spoof surface plasmonploariton,SSPP)的方法將入射波束縛在分界面再對(duì)其進(jìn)行耗散,都實(shí)現(xiàn)了寬頻吸波[69?75].

圖2 三頻帶超材料吸波體 (a) 單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);(b) 等效電路模型;(c) 橫電波 (transverse electric,TE) 模式下在不同入射角下測(cè)得的吸收率與頻率的關(guān)系;(d) 橫磁波(transverse magnetic,TM)模式下在不同入射角下測(cè)得的吸收率與頻率的關(guān)系[55]Fig.2.Triple-band metamaterial absorber: (a) Topology structure of the element;(b) equivalent circuit models;(c) measured absorption as a function of frequency for TE mode radiation at different angles of incidence;(d) measured absorption as a function of frequency for TM mode radiation at different angles of incidence[55].

圖3 寬帶太赫茲超材料吸波體 (a) 單元結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 不同 I型諧振器組合的吸收率[59]Fig.3.Terahertz metamaterial absorbers with broad band absorption: (a) Schematic of the whole unit cell;(b) simulation results of absorption for three different configurations of the I-shaped resonators[59].

總結(jié)起來,目前超材料吸波主要有以下方法可以拓展帶寬,即平面排布或多層堆疊[59?63]、加載集總元件[64?68],加載電阻膜[69?72]和基于 SSPP[73?75]等.如圖4所示,Li等[76]通過以上多種方法結(jié)合實(shí)現(xiàn)了一款極化不敏感的寬角寬頻吸波體,在4.52—25.42 GHz頻段內(nèi)的吸收率均大于80%.除以上主流方法外,采用新型結(jié)構(gòu)也可以拓展吸波帶寬,如互補(bǔ)結(jié)構(gòu)超材料、金屬樹枝型結(jié)構(gòu)、分形幾何結(jié)構(gòu)等[77,78].表1總結(jié)了采用不同方法實(shí)現(xiàn)的多頻/寬頻吸波體,包括工作頻率、10 dB相對(duì)帶寬、吸收率、厚度、周期和結(jié)構(gòu).當(dāng)前人們不僅僅關(guān)注寬頻特性,同時(shí)兼顧其穩(wěn)定性和可調(diào)性,新的結(jié)構(gòu)和技術(shù)仍不斷被提出,豐富和發(fā)展了寬頻吸波研究,寬頻超材料吸波體將在隱身、探測(cè)和成像等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用價(jià)值[79].

圖4 超寬帶完美超材料吸波體單元原理圖 (a) 單元三維示意圖;(b) 帶有開口諧振環(huán)II的底層結(jié)構(gòu);(c) 帶有開口諧振環(huán)I的第三層結(jié)構(gòu);(d) 加載集總電阻的第二層結(jié)構(gòu)[76]Fig.4.Schematic geometry of unit cell for the ultra-broadband perfect metamaterial absorber: (a) the 3 D schematic of a unit cell;(b) the bottom layer with the split ring resonator-II;(c) the third layer with the split ring resonator-I;(d) the third layer with lumped resistances[76].

表1 用于實(shí)現(xiàn)多頻/寬頻吸波體的不同方法總結(jié)Table 1.A summary of methods used to create multiple/broadband absorbers.

3.2 極化和角度不敏感吸波體

通常吸波性能會(huì)受到極化和入射角度的影響,關(guān)于極化不敏感的研究從超材料吸波體提出之初就引起了廣大學(xué)者的關(guān)注,諸多學(xué)者為此做出了貢獻(xiàn)[80?90].2009 年 Zhu 等[81]通過改善 4 個(gè)諧振單元的排布,使其在平面內(nèi)呈垂直正交排布,從而實(shí)現(xiàn)了超材料吸波體的極化不敏感性,其單元結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示.2011年Li等[82]采用四箭頭諧振器的單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙波段、極化不敏感的廣角吸波體,2016年Chen等[84]設(shè)計(jì)了一款三頻帶的極化不敏感吸波體,其中單頻帶單元如圖5(b)所示,通過調(diào)整單元的比例因子將三種不同尺寸的單頻單元排列組成三頻帶單元,實(shí)驗(yàn)表明該吸波體也是極化和角度不敏感的.2018年Wang等[86]利用多段金屬圓弧進(jìn)行不同方位的排布,實(shí)現(xiàn)了多頻段的極化和角度不敏感吸波.從圖5給出的單元結(jié)構(gòu)示意圖可以看出,具有極化和角度不敏感特性的超材料單元結(jié)構(gòu)都有多重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性,從而在任意極化入射波下產(chǎn)生相同的電磁響應(yīng),達(dá)到極化不敏感的效果.若沒有對(duì)稱性,也可以在不同極化下通過不同機(jī)制調(diào)控來實(shí)現(xiàn)電磁波的吸收[87].此外采用手性結(jié)構(gòu)巧妙設(shè)計(jì)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同極化的吸收,如Wang等[88]設(shè)計(jì)了一款手性諧振器,由于單元結(jié)構(gòu)緊湊也實(shí)現(xiàn)了極化不敏感的特性.

圖5 極化和角度不敏感超材料吸波體單元結(jié)構(gòu)示意圖(a) 正交排布的極化不敏感單元[81];(b) 單頻帶單元[84];(c) 四個(gè)扇形為基礎(chǔ)的角度不敏感單元;(d) 八個(gè)扇形為基礎(chǔ)的角度不敏感單元[91]Fig.5.Schematic diagram of polarization and angle-independent metamaterial absorber unit cell: (a) Orthogonal polarization insensitive unit cell[81];(b) single-band metamaterial absorber unit cell[84];(c) four circular sector-based unit cell;(d) eight circular sector-based unit cell[91].

對(duì)于角度不敏感性的研究而言,一般會(huì)遇到兩個(gè)問題: 一是由于斜入射下單元的有效工作尺寸改變而引起的頻率偏移;二是隨著角度變化所引起阻抗失配[89].多項(xiàng)研究表明由于隨著入射角的增大,平行磁場(chǎng)分量趨于零,因而不能有效地在表層金屬結(jié)構(gòu)和底部金屬板間誘導(dǎo)反平行電流,從而導(dǎo)致磁通量下降[81].為了盡可能減少斜入射帶來的影響,單元小型化以及各向同性和對(duì)稱結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)角度不敏感電磁吸波超材料的關(guān)鍵,Ghosh等[91]在該方向做了諸多工作,如圖5(c)和(d)所示,研究人員將圓形貼片切分成4個(gè)扇區(qū)部分、8個(gè)扇區(qū)部分,這兩種單元高度的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性保證了吸波性能具有良好的極化穩(wěn)定性,并在70°入射角范圍內(nèi)能保持90%以上的高吸收率.通過增加圓形扇區(qū)的數(shù)量,使吸波體對(duì)于TE和TM極化吸收頻率的變化限制均在0.7%內(nèi),具有更好的角度穩(wěn)定性.盡管研究者們一直在試圖找到合適的單元結(jié)構(gòu)來獲得大角度不敏感的特性,但一直沒有統(tǒng)一的良好機(jī)制,亟需新的材料結(jié)構(gòu)和方法,如Shen等[92]研究了折角結(jié)構(gòu)對(duì)于大角度入射電磁波的寬帶吸波特性的影響,相比于平面結(jié)構(gòu),折角結(jié)構(gòu)對(duì)TM波有更好的寬帶吸收能力.并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有寬帶寬入射角電磁吸波性能的三維超材料.由此可見,三維結(jié)構(gòu)的引入為寬角吸波體提供了新的技術(shù)途徑[92,93],但在方法上和工藝上的創(chuàng)新對(duì)于實(shí)現(xiàn)角度不敏感的吸波超材料來說是個(gè)挑戰(zhàn),超材料結(jié)構(gòu)小型化的研究有望為研究角度不敏感吸波體提供新的解決方案.

3.3 動(dòng)態(tài)可調(diào)超材料吸波體

如上所述,早期的超材料吸波體是通過對(duì)電磁參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)來調(diào)控,且大部分是基于結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)將其工作特性固定在特定頻帶范圍內(nèi),一旦應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)生改變就必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì).隨著超材料研究的深入和電磁操控技術(shù)的發(fā)展,動(dòng)態(tài)可調(diào)超材料的出現(xiàn)為實(shí)用型超材料吸波體提供了新的技術(shù)途徑,推動(dòng)了新一輪技術(shù)的革新.最早對(duì)可調(diào)超材料的研究是通過外加調(diào)控器件的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)控,如Chang等[94]通過加載PIN開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)可調(diào)頻率選擇表面(frequency selective surface,FSS) 的設(shè)計(jì).由此,人們基于多種機(jī)理對(duì)可調(diào)超材料進(jìn)行了廣泛的研究,提出了諸多具有建設(shè)性的調(diào)控方法[95?101].根據(jù)材料的電磁參數(shù)隨環(huán)境電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度的變化來進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)調(diào)控,將可調(diào)技術(shù)分為電可調(diào)、磁可調(diào)、溫度可調(diào)等[102],從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電磁特性的操控.在吸波應(yīng)用方面,通過采用如加載變?nèi)荻O管、石墨烯、活性液晶、機(jī)械可調(diào)的材料等多種方式[103?107]來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的吸收特性(頻率、極化、角度)和功能的調(diào)控.如Zhao等[103]通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的偏置電壓實(shí)現(xiàn)了1.5 GHz的連續(xù)可調(diào)帶寬吸收,即不需要在整個(gè)吸收頻段內(nèi)同時(shí)展現(xiàn)出超強(qiáng)的吸收性能.2016年Li等[104]提出了一種具有可切換吸收和輻射工作狀態(tài)的新型集成結(jié)構(gòu),通過加載PIN二極管開關(guān)來對(duì)結(jié)構(gòu)的吸波和輻射功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制.近年來石墨烯的發(fā)展受到了廣泛關(guān)注,由于它的可調(diào)性以及薄板導(dǎo)電性常被用于設(shè)計(jì)可調(diào)諧太赫茲器件,Zhang等[105]設(shè)計(jì)了一款加載石墨烯的吸波超材料,通過對(duì)其偏置電壓的調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收光譜和極化狀態(tài)的靈活控制.Shrekenhamer等[106]通過加入活性液晶設(shè)計(jì)了一款電子可調(diào)的超材料,單元結(jié)構(gòu)如圖6(c)所示,該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)30%的振幅和4%的頻率的可調(diào)性,表明通過全電子的動(dòng)態(tài)控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于光的基本調(diào)控.除了通過電特性調(diào)控外,也可采用機(jī)械可調(diào)的方式,如2015年Zhang等[107]設(shè)計(jì)了一款機(jī)械可伸縮的全介質(zhì)可調(diào)超材料吸波體,如圖6(d)所示,通過對(duì)拉伸底部導(dǎo)電橡膠基板對(duì)單元間距進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了對(duì)單元周期大小的改變,為可調(diào)超材料吸波提供了新的方法.相比而言,介質(zhì)超材料損耗低、敏感度高的特性更易實(shí)現(xiàn)可調(diào)特性,但機(jī)械可調(diào)的方式不適于微波器件的集成.為了適應(yīng)未來多功能新型器件的發(fā)展,動(dòng)態(tài)可切換或可調(diào)諧吸波仍需要進(jìn)行更為廣泛深入的研究.

4 超材料吸波體的研究展望

盡管研究學(xué)者們?cè)诔牧衔ǚ较蛞炎隽撕芏喙ぷ?仍面臨著諸多問題.在吸波性能方面,由于材料的損耗隨頻率降低而下降,故在低頻范圍實(shí)現(xiàn)寬帶吸波仍是一個(gè)挑戰(zhàn);在功能方面,隨著應(yīng)用場(chǎng)景日益復(fù)雜,多功能集成超材料將逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn);在結(jié)構(gòu)方面,二維超表面對(duì)斜入射電磁波極為敏感,新型三維結(jié)構(gòu)有望成為新的突破口,為超材料吸波體未來的研究引入新的活力.

4.1 低頻超薄寬帶超材料吸波體

不同波段電磁波的性質(zhì)和作用各不相同,由于低頻段波長(zhǎng)較長(zhǎng),所對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)吸波結(jié)構(gòu)體積較大,而厚度和帶寬的關(guān)系[108]制約了超薄寬頻吸波超材料的設(shè)計(jì),特別是在低頻范圍,受到Snoek理論限制[109],超材料在低頻段的吸收性較差,用單一的超材料結(jié)構(gòu)難以滿足目前對(duì)于低頻超薄超材料的需求,故可以通過傳統(tǒng)磁性吸波材料與超材料復(fù)合來實(shí)現(xiàn)低頻寬帶吸波[110].近幾年研究者們通過嘗試多種方法來實(shí)現(xiàn)在低頻的寬帶吸收[111?116],例如Mou和Shen[111]設(shè)計(jì)了一款加載Non-Foster電路的寬帶吸波體,可工作在150—950 MHz頻段,為了減小其厚度,他們又利用磁性材料代替介質(zhì)材料,最終將厚度從 30 mm 降為 7.5 mm[112].2018 年Banadaki等[113]通過修改吸波體單元結(jié)構(gòu),使最低工作頻率在參考結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上降低了20%,并實(shí)現(xiàn)在1.35—3.5 GHz范圍內(nèi)吸波率超過90%,大大提高了吸波體的實(shí)際應(yīng)用能力.常見的實(shí)現(xiàn)低頻吸波方法還包括采用加載電阻膜、加載無源元件和有源器件等方式,例如Li等[114]基于鐵氧體與超材料復(fù)合的方式設(shè)計(jì)了厚度僅為1 mm的可調(diào)吸波體,實(shí)現(xiàn)了在0.2—7.6 GHz范圍內(nèi)的寬頻可調(diào)吸收.然而帶寬問題依舊是超材料吸波體共同面臨的難題,且隨著低頻預(yù)警雷達(dá)的發(fā)展,低頻段的寬帶吸波隱身研究將越來越受到重視.

圖6 動(dòng)態(tài)可調(diào)超材料吸波體 (a) 加載變?nèi)荻O管的超材料吸波體[103];(b) 加載石墨烯的超材料吸波體單元結(jié)構(gòu)[105];(c) 液晶可調(diào)超材料完美吸波體[106];(d) 基于機(jī)械可調(diào)諧的吸波體[107]Fig.6.Dynamically tunable metamaterial absorber: (a) Tunable metamaterial absorber using varactor diodes[103];(b) schematic of the unit cell of the graphene based tunable metamaterial absorber[105];(c) liquid crystal tunable metamaterial perfect absorber[106];(d) mechanically stretchable and tunable metamaterial absorber[107].

4.2 多功能集成超材料吸波體

超材料通過利用空間相位的積累來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同功能.由于早期技術(shù)水平的限制,研究者們創(chuàng)新地提出二維形式的超表面(metasurface),通過在介質(zhì)表面上合理的布局一些亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波波前和極化等特性的靈活調(diào)控,近幾年成為超材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿.許河秀[117]在可調(diào)超材料/超表面與動(dòng)態(tài)電磁控制方面也做出了諸多成果,利用超表面的突變相位實(shí)現(xiàn)特定功能概括起來主要有以下方式:傳輸相位調(diào)控、幾何相位調(diào)控以及基于傳輸、幾何相位的混合調(diào)制,通過超表面的調(diào)控將多種功能集成超材料是未來發(fā)展方向.2017年Zhang等[60]提出了一種同時(shí)具有光學(xué)透明性和微波寬帶吸收的超材料,利用氧化銦錫 (indium-tin oxide,ITO)薄膜獲得了良好的透光特性,并在8.3—17.4 GHz實(shí)現(xiàn)了寬帶吸收.隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,整合吸波與其他電磁功能的多功能集成電磁器件受到了研究者的廣泛關(guān)注.在超材料領(lǐng)域,通過改變金屬的幾何尺寸可以實(shí)現(xiàn)反射相位的任意調(diào)控,在吸波體設(shè)計(jì)中,通過阻抗匹配可以實(shí)現(xiàn)完美吸波.然而目前為止這些功能僅僅在單一分離的設(shè)備上實(shí)現(xiàn),2019年 Sun等將[118]金屬結(jié)構(gòu)和加載電阻元件相結(jié)合,通過單元的各向異性,實(shí)現(xiàn)了工作于微波段的波前塑性和吸波集成的多功能超表面.該思想在 THz頻段也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用,例如Peng等[119]通過將金屬結(jié)構(gòu)和石墨烯結(jié)合設(shè)計(jì)出可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換和吸波功能的超表面單元.隨后Chen等[120]提出了一個(gè)可以在THz頻段實(shí)現(xiàn)超透鏡和吸波體轉(zhuǎn)換的多功能超表面.此外吸-透波一體化、多頻譜兼容、多物理場(chǎng)兼容超材料也有望成為研究者們探索的新方向[121].

4.3 新型三維結(jié)構(gòu)超材料吸波體

在超材料發(fā)展初期人們就對(duì)三維結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了大量探索研究[122,123],雖然通過三維超材料可以根據(jù)人們的意愿任意操控電磁波[124,125],但其高損耗和制作的復(fù)雜性極大地限制了它的應(yīng)用.隨著工藝和技術(shù)的進(jìn)步,考慮到三維結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波調(diào)控優(yōu)勢(shì)以及3D打印技術(shù)的發(fā)展,故將二者結(jié)合有望為吸波超材料提供新的方向.2018年熊益軍等[126]采用3D打印技術(shù)成功制備了一款由三層方陣結(jié)構(gòu)組成的寬頻吸波超材料,其總厚度為4.7 mm且結(jié)構(gòu)精細(xì),充分證明了3D打印技術(shù)在超材料應(yīng)用的可能性.相比二維超表面結(jié)構(gòu),三維立體超材料結(jié)構(gòu)能夠更有效地對(duì)電磁波進(jìn)行調(diào)控,特別是在低頻段和小型化方面具有潛在應(yīng)用,如2018年Lim等[127]提出用3D打印結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)階梯狀的十字結(jié)構(gòu)超材料吸波體,研究發(fā)現(xiàn)采用三維結(jié)構(gòu)有利于吸波超材料的小型化.同年,Jiang等[128]提出了由蜂窩結(jié)構(gòu)和電阻薄膜構(gòu)成的三維超材料結(jié)構(gòu),可在3.53—24 GHz實(shí)現(xiàn)寬頻吸波,且采用3D打印技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)吸波結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化.2019年Xie等[129]將水注入一個(gè)由3D打印制造的塑料容器中制造了微波頻段的全介質(zhì)超材料吸波體.其他的3D研究包括石墨烯超材料吸波結(jié)構(gòu)、FSS吸波等[130?132].同時(shí)利用非平面結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)復(fù)合也為實(shí)現(xiàn)寬帶吸波提供了新的思路,如Li等[133]對(duì)于加載磁性諧振結(jié)構(gòu)的“站立式”超材料吸波體進(jìn)行了研究.由于三維結(jié)構(gòu)引入了空間角度的調(diào)控,故有望應(yīng)用于多功能一體化超材料,有利于促進(jìn)新型多功能器材的研發(fā)與應(yīng)用.例如,2019 年 Chen 等[134]結(jié)合折紙技術(shù)設(shè)計(jì)了一款可調(diào)諧且聚集多功能于一體的三維結(jié)構(gòu)超材料,結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示.通過調(diào)節(jié)頂角可實(shí)現(xiàn)吸波體、鏡面反射器和逆向反射器等不同功能之間的切換,但如何精確自動(dòng)調(diào)節(jié)頂角從而使得實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用過程中調(diào)諧更可靠,仍需進(jìn)行深入研究.三維結(jié)構(gòu)的引入為超材料新型器件的發(fā)展帶來新的生機(jī),隨著技術(shù)的進(jìn)步未來會(huì)有更多新型結(jié)構(gòu)出現(xiàn),人們對(duì)電磁波的調(diào)控亦將變得更加自由.

圖7 多功能可重構(gòu)三維超材料 [134]Fig.7.Multifunctional reconfigurable 3D metamaterial[134].

5 結(jié) 語

電磁超材料吸波近年來成為超材料研究中的熱點(diǎn),受到國(guó)內(nèi)外很多團(tuán)隊(duì)與學(xué)者的青睞.研究方向從寬頻、極化和角度不敏感等問題逐步深入到智能可調(diào)、多功能集成等方向,結(jié)構(gòu)研究也逐漸從二維超表面擴(kuò)展到三維非平面結(jié)構(gòu),并取得了豐碩的成果.根據(jù)吸收機(jī)制的不同,可以將吸波材料分為吸收型和干涉型,通過加載有源技術(shù)、與傳統(tǒng)材料相復(fù)合、引入新型材料和結(jié)構(gòu)等方法可以更加靈活地調(diào)控吸波性能,這對(duì)于吸波超材料在隱身、探測(cè)、天線、能量收集等方面的應(yīng)用具有重要價(jià)值.在這些應(yīng)用中,隱身作為現(xiàn)代軍事中不可或缺的技術(shù),是未來研究的重中之重.目前基于超材料實(shí)現(xiàn)隱身的途徑主要有四種: 一是基于電磁吸波理論應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域的隱身技術(shù);二是以隱身斗篷為代表的基于光學(xué)變換的隱身技術(shù);三是基于散射相消理論的等離子體隱身技術(shù);四是基于超表面打散電磁波的漫反射隱身技術(shù).而由于各種反隱身技術(shù)的發(fā)展,目前單頻段低可探測(cè)的武器裝備在未來戰(zhàn)場(chǎng)上仍會(huì)面臨極大威脅,因此實(shí)現(xiàn)寬頻乃至全頻段隱身成為研究的主要方向.此外,在航空航天技術(shù)領(lǐng)域,高溫狀態(tài)下工作的特殊部件材料的隱身性能也需要進(jìn)一步提高,而目前所研究的吸波超材料大多工作于室溫環(huán)境,以陶瓷基超材料為代表的耐高溫隱身材料將成為航空航天領(lǐng)域隱身技術(shù)的主要方案.目前高溫吸波材料主要有陶瓷型吸波材料、碳材料吸波劑、半導(dǎo)體等,采用調(diào)控電子結(jié)構(gòu)、摻雜元素、材料復(fù)合技術(shù)、設(shè)計(jì)多層或多孔結(jié)構(gòu)等多種方式可以有效提升高溫下的電磁吸波性能[36,135].同時(shí)為應(yīng)對(duì)未來小型化、多功能、智能化的趨勢(shì),亟需進(jìn)行基于超材料的新型多功能器件的應(yīng)用研究,通過建立超材料模型庫可供人們針對(duì)不同需求進(jìn)行自主選擇.隨著理論的不斷發(fā)展和制造工藝的進(jìn)步,未來吸波超材料將不斷朝著輕質(zhì)、承載力強(qiáng)、吸波性能好、智能可調(diào)、多頻段兼容方向發(fā)展,以滿足復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于電磁吸波技術(shù)的更高要求,有望在軍事武器裝備、通信技術(shù)、信息技術(shù)等行業(yè)領(lǐng)域帶來重大變革.