航空電磁超材料研究進展及發(fā)展建議

景 致, 張 健

（1.沈陽理工大學(xué)，沈陽 110158；2.電磁信息控制與效應(yīng)全國重點實驗室，沈陽 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)和極強的可設(shè)計性而受到廣泛關(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)計的材料，一般通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計來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)計開口諧振環(huán)周期結(jié)構(gòu)，首次實現(xiàn)了負磁響應(yīng)。Smith等[3]實驗制備了開口諧振環(huán)型超材料，首次實現(xiàn)了微波波段的負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率，證明了負折射率材料的存在。Parazzoli等[4]在實驗過程中直接觀測到了負折射現(xiàn)象。至此超材料技術(shù)走入人們的視野并逐漸成為各國學(xué)者研究的熱點。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、主動可調(diào)型超材料和智能超材料的最新研究進展，然后介紹航空電磁超材料的應(yīng)用研究進展，分析電磁超材料的優(yōu)勢以及走向工程應(yīng)用所面臨的難點與挑戰(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]。通過亞波長微結(jié)構(gòu)的周期性排布，可實現(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，為隱身設(shè)計提供了全新的技術(shù)途徑。

基于超材料的負折射效應(yīng)可以實現(xiàn)對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現(xiàn)隱形，原理模型如圖1，電磁波在穿過超材料的過程中可以產(chǎn)生負折射效應(yīng)，使電磁波的傳播方向發(fā)生連續(xù)漸變，最終使電磁波繞過目標(biāo)而不產(chǎn)生電磁回波，實現(xiàn)隱形。Schurig等[7]提出了超材料隱身衣的設(shè)計理論，Liu等[8]實現(xiàn)了超材料隱身衣的設(shè)計與制備，實驗證明了超材料實現(xiàn)完美隱身的可行性。Huang等[9]設(shè)計了石墨烯超材料，在太赫茲實現(xiàn)了電磁波極化轉(zhuǎn)換和不對稱傳輸。Comley[10]基于等效電路法設(shè)計了一種超材料，該超材料會根據(jù)電磁波長而改變電磁波傳輸?shù)臅r間響應(yīng)和光學(xué)相響應(yīng)，可用于調(diào)控特定波長激光束的聚焦特性。Huang等[11]設(shè)計了一種由雙層超表面組成的超材料，頂層超表面由兩個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Ⅰ形圖案的拓撲變形實現(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 電磁波繞過物體[6]Fig. 1 Electromagnetic wave bypassing a ball[6]

電磁超材料對入射電磁波具有強諧振效應(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，實驗結(jié)果表明該超材料吸波體在窄頻帶內(nèi)幾乎可以實現(xiàn)對入射電磁波的完全吸收。Tao等[13]設(shè)計了由兩種開口諧振環(huán)單元組成的超材料吸波體，實驗結(jié)果表明在1.4 THz 和3.0 THz 的吸收率分別可達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，對波長為6.18 μm和8.32 μm的電磁波吸收率分別達到 0.8和0.935。Grant等[15]設(shè)計了一種工作在太赫茲頻段的寬帶超材料吸波體，通過將不同尺寸的諧振單元組合以產(chǎn)生多個諧振吸收峰，實現(xiàn)了吸波帶寬的有效拓展，實驗測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，基于約束方程進行周期結(jié)構(gòu)多諧振設(shè)計，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發(fā)生共振響應(yīng)，設(shè)計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，提出通過改變石墨烯單元幾何參數(shù)和費米能級，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、高能量吸收的特性。Cheng等[24]設(shè)計了一種兼?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%，同時通過使用具有中等表面電阻的氧化銦錫（ITO）薄膜實現(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，實現(xiàn)材料電磁響應(yīng)的主動可調(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，通過改變可調(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外圍的控制電路，以用來實時地調(diào)控可調(diào)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)超材料電磁性能的現(xiàn)場可編程。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)計自由度高，且與微波電路兼容。黃金國等[31]在超材料結(jié)構(gòu)中引入電阻和有源變?nèi)荻O管，通過改變外加電壓實現(xiàn)吸波頻帶的動態(tài)可調(diào)，在3.7倍頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)吸波頻段的自調(diào)節(jié)，吸波體的總厚度僅為波長的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，重點介紹其在可編程與智能電磁調(diào)控領(lǐng)域的最新研究進展。劉晨陽等[34]將超材料智能表面應(yīng)用于MIMO無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，研究了智能超表面的反射單元組成、有源單元數(shù)量等因素對移動傳輸速率的影響。

2 航空電磁超材料應(yīng)用研究進展

基于超材料對電磁波的調(diào)控或吸收特性可設(shè)計超材料隱身結(jié)構(gòu)[35-36]，是航空武器裝備提升隱身性能的一項重要技術(shù)途徑。航空電磁超材料根據(jù)電磁調(diào)控機理可分三類：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，將雷達信號反射到傳感器接收不到的方位，實現(xiàn)回波信號的降低；其二是吸波超材料，通過阻抗?jié)u變設(shè)計[39-43]、電磁諧振設(shè)計[44-47]等方式吸收雷達波，實現(xiàn)電磁散射強度的降低；其三是頻率選擇超材料[48-50]，基于周期結(jié)構(gòu)的濾波特性實現(xiàn)電磁波的頻率選擇透過，提升雷達罩、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。

2.1 電磁偏折超材料

電磁偏折超材料是基于超材料對電磁波傳播方向的調(diào)控作用實現(xiàn)隱身。電磁偏折產(chǎn)生原理見圖2，通過超材料微結(jié)構(gòu)單元的尺寸、角度漸變設(shè)計，可使電磁波在穿過相鄰超材料單元的過程中產(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題。如圖3所示的F-15飛機，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

隱身飛機的垂尾、機身側(cè)壁面均采用傾斜設(shè)計，在物理上已實現(xiàn)鏡面散射的回波偏離，因此電磁偏折類超材料只在F-15這類非隱身飛機上有應(yīng)用前景。目前電磁偏折類超材料可以實現(xiàn)對窄帶電磁波反射方向的調(diào)控[53-55]，不具備寬頻隱身能力，無法滿足工程應(yīng)用需求。目前鮮見公開報道或文獻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)來實現(xiàn)特定頻段電磁波的強衰減。電磁諧振效應(yīng)與電磁波的波長具有強相關(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迅速下降，如何提升吸波帶寬是電磁吸收超材料的設(shè)計難點。在超材料設(shè)計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]

飛機的翼面邊緣是強散射源，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。有資料顯示美國的F-35等飛機在翼面邊緣部位應(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，使不同頻率的電磁波在穿過超材料時表現(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)生了一個帶寬約為0.5 GHz的阻帶，帶內(nèi)電磁波強反射，帶外電磁波強透射。

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

對于隱身飛機，雷達/天線罩在輻射頻帶內(nèi)電磁波高透過、在非輻射頻帶內(nèi)電磁波強截止是主要設(shè)計目標(biāo)。基于超材料頻率選擇特性設(shè)計的隱身雷達/天線罩具有優(yōu)秀的帶內(nèi)高透過、帶外強截止特性，相比傳統(tǒng)雷達/天線罩隱身性能更好。國內(nèi)外的隱身雷達/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產(chǎn)生電磁偏折、頻率選擇性透過等現(xiàn)象，為隱身設(shè)計提供了新的技術(shù)手段。另一方面，超材料具有很強的可設(shè)計性，可根據(jù)不同的散射機理針對性設(shè)計吸收方案，實現(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程中需要對電磁模型和電磁參數(shù)進行大量的簡化、等效處理，仿真評估結(jié)果與真實情況存在一定偏差，方案設(shè)計迭代還大量依賴實物測試，導(dǎo)致研制周期長、成本高。第二，隱身技術(shù)是降低目標(biāo)與背景對比度的技術(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)計應(yīng)用于翼面邊緣等強散射部位，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，但高頻下性能接近，寬頻吸波性能還需提升。同時，超材料的微結(jié)構(gòu)單元自身在某些情況下會產(chǎn)生次級散射。如何在進一步提升超材料隱身結(jié)構(gòu)吸波性能的同時降低自身次級散射，是航空電磁超材料設(shè)計上面臨的挑戰(zhàn)。第三，航空武器裝備使用環(huán)境伴隨振動、高溫等極端環(huán)境，因此超材料結(jié)構(gòu)不僅要質(zhì)量輕，還需具有高強度、耐環(huán)境性能和高可靠性。同時為滿足飛機功能性需求，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題。

3 航空電磁超材料發(fā)展建議

電磁超材料對雷達波有很強的調(diào)控或吸收效應(yīng)，是航空武器裝備隱身設(shè)計研究的熱點。航空電磁超材料從作用機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)計空間。在有限質(zhì)量、空間條件約束下，滿足強度、耐環(huán)境要求的同時實現(xiàn)最優(yōu)的隱身性能，是航空電磁超材料的設(shè)計目標(biāo)。目前電磁超材料設(shè)計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)計規(guī)模，建立大型仿真環(huán)境是開展超材料應(yīng)用研究的必要條件，同時還應(yīng)該建立超材料微結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫，收錄典型微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能參數(shù)，加快方案設(shè)計收斂速度。

隨著探測技術(shù)的不斷發(fā)展，一方面探測器的靈敏度越來越高，另一方面探測器的工作頻譜從雷達、紅外、可見光波段拓展到紫外、激光波段。為適應(yīng)未來戰(zhàn)場需求，電磁超材料需要從拓展吸波頻譜、增強吸波性能、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雷達波設(shè)計，僅對波長為毫米到米級的電磁波有良好吸收效果?？紤]未來探測威脅，電磁超材料的吸波頻譜應(yīng)進一步向紅外、紫外、激光拓展。

（2）增強吸波性能：隨著航空武器裝備對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一步提升。為滿足未來航空武器裝備需求，需要突破現(xiàn)有吸波機理，持續(xù)針對設(shè)計和工藝方案開展技術(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，通過有源加載改變可調(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)計可以進一步拓展超材料的吸波帶寬，甚至有希望在多個頻譜同時實現(xiàn)電磁吸收。