中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
人工電磁超構材料的出現，使電磁隱身技術(shù)實(shí)現了重大突破。人工電磁超構材料（Metamaterial）簡(jiǎn)稱(chēng)為“超材料”，是一種由亞波長(cháng)量級的人工“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合材料。人工電磁超構表面（Metasurface）可以看作是超材料的二維平面形式，簡(jiǎn)稱(chēng)為“超表面”。電磁超構表面具有剖面超薄、損耗較低且易于設計、加工與集成等優(yōu)勢。在電磁隱身、電磁隔離與雷達探測等微波頻段的熱門(mén)領(lǐng)域展現出了廣闊的應用前景。它的發(fā)展推動(dòng)了微波器件的小型化、集成化、共形化、數字化和智能化。
近期，南京信息工程大學(xué)的科研團隊在《包裝工程》期刊上發(fā)表了以“超材料隱身技術(shù)研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為羅歆瑤，通訊作者為王身云副教授。
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)以及相位調制型超構表面隱身技術(shù)等。
超材料/超表面隱身技術(shù)概述
當電磁波照射到目標時(shí)，會(huì )發(fā)生反射、折射、散射等物理現象。這些現象的強弱通常與目標的物理尺寸和結構有關(guān)。通常情況下，可以使用雷達散射截面積（SRCS）來(lái)衡量微波波段內目標產(chǎn)生的回波強度。
電磁隱身技術(shù)旨在降低目標物體的RCS，從而降低目標被探測到的風(fēng)險，在電磁兼容、偽裝技術(shù)、低可偵測技術(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，將對幾種主流的電磁超材料/超表面隱身技術(shù)進(jìn)行總結和概述。
基于變換光學(xué)的超材料隱身技術(shù)
2006 年初，Pendry等在《Science》上發(fā)文，首次提出了基于超材料的變換光學(xué)理論以及利用該理論實(shí)現隱身衣設計的構想。由于麥克斯韋方程在坐標變換后可以保持形式不變，Pendry教授提出了通過(guò)合理構建變換媒質(zhì)的本構參數來(lái)有效調控電磁波傳播路徑的方法。該方法可以構造出一個(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)物理空間內放置的任意目標物體都將處于電磁屏蔽的狀態(tài)，外部電磁探測器無(wú)法對該區域內的物體進(jìn)行識別，從而實(shí)現完美隱身。超構材料對本構參數的強大調控能力，為這種變換光學(xué)隱身衣實(shí)驗的實(shí)現提供了可能性。
2006年底，美國杜克大學(xué)的Smith教授課題組首次在微波波段設計出了基于變換光學(xué)的柱狀隱身衣，并對其進(jìn)行了實(shí)驗驗證。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)諧振器結構周期排布而成。通過(guò)調節開(kāi)口環(huán)諧振器的幾何結構與尺寸，可以自由調控超材料的等效電磁參數，從而實(shí)現這類(lèi)超材料隱身衣。
為了簡(jiǎn)化變換光學(xué)隱身衣的設計及其實(shí)現方式，Pendry教授課題組于2008年提出了毯式隱身衣的概念。他們對傳統的變換光學(xué)加以改進(jìn)，引入準共形映射的方法，通過(guò)選取合適的坐標變換，使隱身衣所需的電磁本構參數的各向異性達到最小化。研究發(fā)現，僅需使用純介質(zhì)材料以及合理的介電常數值就可以實(shí)現一些特定的變換媒質(zhì)，且這種變換在光頻段內可以具有較寬的工作帶寬。如圖3所示，將準共形映射法設計出的毯式隱身衣覆蓋在反射面上形狀不規則的凸起物上，可以使這塊被覆蓋的凸起區域在電磁波的照射下呈現出完全平坦的效果，以此對“地毯”下方的任何物體實(shí)現完美隱藏。2009年，美國杜克大學(xué)Smith課題組利用非諧振的工字型構成的超構材料，首次在微波波段實(shí)驗驗證了這類(lèi)基于準共形映射方法的寬頻帶地毯式隱身衣的可行性，如圖4所示。2010年，東南大學(xué)的崔鐵軍院士團隊首次在微波波段實(shí)驗實(shí)現了三維地毯式隱身衣。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)驗驗證。
隨著(zhù)變換光學(xué)隱身技術(shù)的不斷進(jìn)步，科研人員已將該設計方法推廣至聲學(xué)、熱力學(xué)、靜電場(chǎng)、流體力學(xué)等領(lǐng)域，并提出了一系列重要的應用。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(zhù)一些應用瓶頸。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)現對電磁波方向的調控，因此，設計出的隱身衣仍然不可避免地有著(zhù)體積和質(zhì)量大等特點(diǎn)。
為了解決這些問(wèn)題，科研工作者們陸續提出了一些其他的超薄隱身衣的設計方法。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，在較寬帶寬內實(shí)現對目標散射的有效縮減；基于相位調制超構表面的隱身技術(shù)為更加靈活地調控電磁散射提供了可能性，進(jìn)一步增加了電磁波探測器對目標進(jìn)行識別的難度。
