基于超材料的新型吸波材料及其天線隱身應(yīng)用進展

基于超材料的新型吸波材料及其天線隱身應(yīng)用進展吸波材料是能有效吸收入射電磁波、降低目標回波強度的一類功能材料。傳統(tǒng)的吸波材料大多是基于Salisbury吸收屏原理設(shè)計，其典型不足是體積過大。隨著通信、隱身等領(lǐng)域?qū)ξú牧闲阅芤笤絹碓礁?，傳統(tǒng)吸波材料已不能滿足民用、尤其是軍事應(yīng)用需求。因此，研制更薄、更輕、頻帶更寬的新型吸波材料已成為當(dāng)前的緊迫課題。超材料（Metamaterial，MTM）是近年來電磁領(lǐng)域的研究熱點之一，其特點是具有亞波長的周期性單元結(jié)構(gòu)。該單元結(jié)構(gòu)如同傳統(tǒng)材料的原子和分子，通過空間組合，可表現(xiàn)出新的電磁特性和功能。超材料的研究經(jīng)歷了電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EleetromagnetieBandGap，EBG）、左手材料（LeftHandMaterial，LHM）和基于光學(xué)變換的異向介質(zhì)等發(fā)展歷程，其特性幾乎涵蓋電磁領(lǐng)域。研究表明，利用超材料的奇異電磁特性，不僅可改善天線和微波器件性能，研制新型設(shè)備，還可為新型吸波材料的研制提供新的技術(shù)手段。綜述基于超材料的新型吸波材料及其在天線隱身應(yīng)用方面的研究進展，對比分析各種吸波材料的特點，展望其在天線隱身領(lǐng)域的應(yīng)用前景。1、基于MTM的新型吸波材料依據(jù)MTM的電磁特性，基于MTM的吸波材料，（MetamaterialAbsorber，MA）可分為兩類：利用同相反射特性的吸波材料和利用媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的吸波材料。1.1、同相反射特性吸波材料同相反射特性吸波材料依據(jù)其同相反射特性角的不同，可分為吸波型吸波材料和干涉型吸波材料兩類。1）、吸波型吸波材料。該吸波材料包括兩部分：具有同相反射特性的MTM結(jié)構(gòu)層和損耗層。損耗層材料可以是傳統(tǒng)電損耗材料，也可以直接將集總電阻加載在貼片之間作為損耗層，選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚悼梢栽谝欢l段內(nèi)較好地吸收入射電磁波。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計依然是基于Salisbury屏原理，但由于MTM同相反射特性，不存在0.25λ波長厚度限制，可以實現(xiàn)超薄特性。2000年，N.Engheta等首次提出利用MTM同相反射特性實現(xiàn)超薄吸波材料的構(gòu)想?；谠摌?gòu)想.2005年，S.Simms等利用mushroom-likeEBG結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超薄吸波結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將耗損層放置在離高阻表面很近的地方，從而實現(xiàn)一定頻帶內(nèi)的吸波作用。以此設(shè)計為基礎(chǔ)，Gao等進一步提出外加集總電阻構(gòu)成吸波結(jié)構(gòu)的方案，并給出反射系數(shù)和相位測試參數(shù)，如圖1，2所示。與Simms等提出的吸波結(jié)構(gòu)相比，Gao等人提出的吸波材料更薄、且結(jié)構(gòu)更為緊湊。2）、干涉型吸波材料。該吸波材料按電磁波相干涉原理設(shè)計。對于傳統(tǒng)干涉型吸波材料，當(dāng)電磁波垂直入射到吸波材料表面時，一部分被反射出去，該反射波稱為第一反射波，其余透入材料，在自由空間與材料間界面以及材料與金屬界面之間來回反射。當(dāng)電磁波每次返回自由空間與材料界面時，都有一部分穿出此界面返回自由空間，這部分波疊加后形成第二反射波。若兩種反射波處于同一偏振面且相位相差180。則發(fā)生干涉，導(dǎo)致總的反射波能量急劇衰減。該吸波材料的缺點是結(jié)構(gòu)較厚，吸收頻帶較窄。2007年，MauricePaquay等利用高阻EBG結(jié)構(gòu)的同相反射特性，設(shè)計了一種新型干涉型吸波材料，如圖3所示。該吸波材料利用具有完美磁導(dǎo)體（PMC）特性的高阻EBG結(jié)構(gòu)與完美良導(dǎo)體（PEC）結(jié)構(gòu)組成棋盤結(jié)構(gòu)。二者反射相位相差l80。其反射波相互干涉，使來波方向能量衰減，同時將后向散射能量轉(zhuǎn)移到其它角度，如圖4所示。鼻錐方向目標RCS可降低20dB以上，-10dB吸收帶寬為6.45%，結(jié)構(gòu)厚為0.0625λ。針對該設(shè)計材料帶寬較窄問題，2009年Zhang等分別提出了利用兩種具有不同反射相位特征的高阻EBG結(jié)構(gòu)組成棋盤結(jié)構(gòu)的改進方案。通過改進，該型吸波材料的-10dB吸收帶寬分別達到58.5%和32%，結(jié)構(gòu)厚度降至0.042λ。1.2、媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料基于MTM媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料的設(shè)計原理為：通過優(yōu)化MTM結(jié)構(gòu)模型和調(diào)控MTM結(jié)構(gòu)單元的電、磁諧振，使ε（w）＝μ（w），從而實現(xiàn)吸波材料和自由空間的阻抗匹配。按此設(shè)計原理，媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料的電、磁參數(shù)在諧振區(qū)域具有較大虛部，可確保電磁波達到100%的吸收率，故這種吸波材料被稱為“完美吸波材料（PeffectMetamaterialAbsorber，PMA）”。PMA于2008年由Landy等首先提出，其單元結(jié)構(gòu)和吸收率，如圖5，6所示。通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，Landy等實現(xiàn)了單層結(jié)構(gòu)厚度僅為0.007λ、反射率為0.01%、透射率為0.9%、吸收率高達99%、半高峰寬（FWHM，吸收率在50%以上的帶寬）只有4%的PMA。進一步研究還表明：按上述原理設(shè)計的PMA，其吸收率隨單元層數(shù)呈指數(shù)增加，且損耗主要來自材料的介質(zhì)。PMA的研制成功，使其成為研究熱點。隨著研究的深入，新型吸波結(jié)構(gòu)單元不斷被提出，材料的電磁特性也得到明顯改進：如寬角度吸波和極化的穩(wěn)定性進一步增強、吸波頻帶和擴展吸波帶寬進一步增加等，研究范圍也從微波、毫米波、太赫茲，一直延伸到紅外和近可見光等區(qū)域。相比傳統(tǒng)吸波材料和文獻研究的吸波材料，PMA在吸波性能和結(jié)構(gòu)上具有如下優(yōu)點：1）、單元吸波的獨立性。依據(jù)PMA的設(shè)計思想，PMA每個單元的電磁諧振都獨立發(fā)生，單元之間的吸收相互獨立，大部分能量集中于每個單元內(nèi)部，單元之間的電磁場很小，吸波率對周期性的要求不高，而文獻依據(jù)的同相反射特性一般要求3個周期單元以上才能呈現(xiàn)出良好的電磁特性。該特點對PMA在天線系統(tǒng)的有限空間加載吸波材料非常有利。2）、超薄超輕，易于集成。PMA厚度一般小于幾十分之一波長，質(zhì)量很輕。由于是無源結(jié)構(gòu)，嵌入天線陣列可實現(xiàn)一體化設(shè)計，不增加天線的質(zhì)量和復(fù)雜度。3）、成本低，加工維護簡單。采用一般的介質(zhì)材料板用電路蝕刻技術(shù)就可加工實現(xiàn)，成本低、維護方便，而且加工過程很容易在其他介質(zhì)上重復(fù)實現(xiàn)，包括軟介質(zhì)，如Poiymide介質(zhì)，可使結(jié)構(gòu)具有機械靈活性和柔韌性，易于共形。2、MA在天線隱身中的應(yīng)用吸波材料最重要的應(yīng)用是目標隱身。目前，通過外形隱身和材料隱身技術(shù)，飛行器結(jié)構(gòu)的散射已得到有效減小，如此情況下，天線就成為其雷達散射截面（RadarCrossSection，RCS）平臺上貢獻最大的散射源之一。解決天線隱身的方法包括帶外隱身和帶內(nèi)隱身兩種，對于帶外隱身，頻率選擇表面（FrequencySe-lectiveSurface，F(xiàn)SS）雷達天線罩能很好地解決問題。據(jù)《AVIONICSMAC》報道，美國新一代F-22戰(zhàn)機已經(jīng)采用帶通式FSS雷達天線罩。但對天線帶內(nèi)隱身，F(xiàn)SS不是一種有效方法，依據(jù)現(xiàn)有研究成果，MA為解決這一問題提供了新的技術(shù)手段。文獻將基于同相反射特性的MA應(yīng)用于4x10非均勻脊波導(dǎo)縫隙陣中，在工作頻率上RCS的E面峰值下降了8.1dBsm，H面RCS峰值下降了6.3dBsm。文獻利用同類型MA結(jié)構(gòu)進一步分析了其在微帶天線和螺旋天線陣RCS減縮中的應(yīng)用，在保持天線輻射性能的基礎(chǔ)上同樣獲得良好的RCS減縮效果。文獻利用文獻提出的干涉型吸波材料設(shè)計思想，設(shè)計了一種“環(huán)結(jié)構(gòu)”的吸波結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于波導(dǎo)縫隙天線，實現(xiàn)天線帶內(nèi)RCS最大20dB的減縮.增益增加1.7dB，旁瓣則降低4dB。對基于MTM媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的PMA，雖然已表現(xiàn)出良好的吸波性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，但目前已有的文獻僅僅分析了其吸波特性，還沒有研究其在天線RCS減縮中的應(yīng)用，說明PMA在天線隱身方面的應(yīng)用還沒有引起足夠重視。3、總結(jié)與展望新型超材料的出現(xiàn)為設(shè)計新型微波器件、設(shè)備提供了新的技術(shù)手段，利用其同相反射特性和媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的特點，眾多輕薄、吸收率較高的吸波材料正脫穎而出，尤其是基于媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的完美吸波材料，由于其自身的優(yōu)勢，必將在隱身領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景=但此類吸波材料目前仍處于探索階段，由于研制技術(shù)不夠成熟，距實際應(yīng)用還有一定距離?；诂F(xiàn)有研究進展，MA及其在天線隱身中的應(yīng)用研究，下一步將會集中在以下3個方面：