主頁（http://www.130131.com）：超材料在隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

超材料（Metamaterial）是一類由亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元作為基本單元構(gòu)成的具有自然材料不具備的超材料物理特性的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或材料，在長(zhǎng)波長(zhǎng)條件下，具有等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，電磁參數(shù)依賴于其基本構(gòu)成單元的諧振特性。

通過對(duì)人工結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料電磁參數(shù)、反射相位、透射相位、手征參數(shù)等的自由設(shè)計(jì)。因此，超材料具有很大的設(shè)計(jì)靈活度，在新型物理器件、天線系統(tǒng)、隱身材料等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

隱身技術(shù)是現(xiàn)代軍事中具有巨大戰(zhàn)術(shù)價(jià)值和戰(zhàn)略威懾作用的一項(xiàng)技術(shù)。近幾年來，超材料在隱身領(lǐng)域的研究也受到了廣泛的關(guān)注，利用超材料不同的物理性質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)不同物理機(jī)制的隱身。

超材料吸波隱身技術(shù)

電磁波吸波材料是武器裝備的重要材料之一，可以大幅降低飛行器的雷達(dá)散射截面積，從而提高其生存防御能力和總體作戰(zhàn)性能。吸波材料是指能吸收、衰減入射電磁波，并將電磁能量轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而耗散掉，或調(diào)制電磁波使其因干涉相消的材料。超材料出現(xiàn)后研究人員將其引入雷達(dá)吸波材料結(jié)構(gòu)體中，結(jié)合其損耗特性和頻率響應(yīng)特性開展廣泛研究。

超材料吸波隱身技術(shù)的吸波機(jī)理是：在諧振和反諧振區(qū)域，標(biāo)志材料損耗特性的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的虛部也達(dá)到了峰值，這意味著超材料會(huì)對(duì)電磁波表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特性，因而基于超材料可以設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)吸波效應(yīng)的吸收劑。

超材料既可以單獨(dú)作為吸波材料使用，也可以與傳統(tǒng)吸波材料復(fù)合，從而制備出滿足微波隱身“薄、輕、寬、強(qiáng)”要求的新型復(fù)合吸波材料。作為結(jié)構(gòu)型的超材料，在作為隱身材料使用時(shí)，由于其工作頻率、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)的易調(diào)節(jié)性，容易實(shí)現(xiàn)超材料的吸波層與自由空間的阻抗匹配，從而大幅度減少反射波強(qiáng)度罩。

超材料吸波結(jié)構(gòu)按功能可以分為極化不敏感多角度入射型吸波材料、雙頻及多頻吸波材料、寬頻及超寬帶吸波材料以及可調(diào)諧型吸波材料。下面，分別就電磁超材料吸波結(jié)構(gòu)亟待解決的問題介紹超材料吸波結(jié)構(gòu)的研究情況。

1.極化無關(guān)超材料吸波結(jié)構(gòu)

Landy等首次提出完美吸收超材料吸波體，該窄帶吸波體由印刷在介質(zhì)板兩面的超材料單元組成，其正面為開口諧振環(huán)、背面為間斷的金屬條帶。當(dāng)入射電磁波頻率位于該結(jié)構(gòu)諧振頻率附近時(shí)，電磁波將被限制在該結(jié)構(gòu)內(nèi)，在達(dá)到阻抗匹配的情況下，具有損耗的電介質(zhì)會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生強(qiáng)損耗吸收。超材料吸波體在窄頻帶范圍內(nèi)能夠獲得接近100%的吸波率而受到廣泛關(guān)注。由于該結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以存在著各向異性的特點(diǎn)，即電磁波極化方向改變后吸波結(jié)構(gòu)的吸波特性會(huì)發(fā)生改變。

為了能夠消除吸波材料各向異性的特點(diǎn)，使其具備極化不敏感的性質(zhì)，提出了基于具有高對(duì)稱性的圓環(huán)和圓片的平面超材料吸波體，該結(jié)構(gòu)采用了中心對(duì)稱的形式，以此來消除各向異性。通過理論和實(shí)驗(yàn)均證明了四向?qū)ΨQ形狀等類似的中心對(duì)稱型電磁諧振環(huán)可以增強(qiáng)吸波材料極化不敏感特性。此外，針對(duì)極化不敏感特性提出了基于樹枝狀結(jié)構(gòu)的極化無關(guān)超材料吸波體，仿真結(jié)果顯示其電磁波吸收率達(dá)到了90%，并且可以看到更好的中心對(duì)稱型使得這種結(jié)構(gòu)擁有了更好的極化不敏感特性。

2. 多頻帶超材料吸波結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)多頻帶吸收，有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于圓環(huán)形電諧振器的雙頻帶吸收超材料吸波體，通過將極化相關(guān)的電諧振器旋轉(zhuǎn)90度排列分布實(shí)現(xiàn)了雙頻帶吸收，且其對(duì)斜入射橫電極化和橫磁極化電磁波在60度時(shí)仍具有較好的吸收效果。他們還制作了基于單一電諧振結(jié)構(gòu)的雙頻帶吸收，且具有極化無關(guān)和寬角度吸收特性。并將多個(gè)具有不同尺寸大小的經(jīng)典電諧振結(jié)構(gòu)在同一平面內(nèi)進(jìn)行復(fù)合，理論分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具有三頻帶吸收特性的超材料吸波體。進(jìn)而有學(xué)者發(fā)現(xiàn)采用結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的單一周期單元結(jié)構(gòu)并采用六邊形陣列分布可實(shí)現(xiàn)雙頻帶極化無關(guān)超材料吸波體，由于兩個(gè)吸收頻帶相距較近，因而同時(shí)拓展了吸收帶寬。通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于同一平面內(nèi)三個(gè)具有不同尺寸大小的同心金屬方環(huán)結(jié)構(gòu)的三頻帶吸收超材料吸波體，該吸波體具有寬角度吸收、極化無關(guān)和厚度薄等優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)分析了其損耗吸收的來源，在微波波段，損耗主要來自于損耗介質(zhì)的介電損耗，而周期金屬結(jié)構(gòu)中所存在的歐姆損耗在微波波段則可以忽略不計(jì)。此外，還有學(xué)者采用不處于同一平面內(nèi)的多個(gè)金屬方環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三頻帶吸收且是極化無關(guān)的超材料吸波體。

3.寬帶超材料吸波結(jié)構(gòu)

為拓展超材料吸波體的吸收帶寬，將具有不同尺寸大小的樹枝狀結(jié)構(gòu)復(fù)合起來，通過諧振疊加拓展了超材料吸波體的吸收帶寬，測(cè)試結(jié)果表明，反射率小于10%的頻帶為9.79 GHz~11.72 GHz。基于損耗頻率選擇表面的寬帶超材料吸波體，其周期單元中的十字和分形方片結(jié)構(gòu)間的耦合可以提高吸波體的吸收帶寬，制得的4mm厚度寬帶超材料吸波體樣品吸波帶寬可達(dá)到12GHz。將周期方片結(jié)構(gòu)損耗頻率選擇表面與含有開口環(huán)諧振器的超材料基板相復(fù)合，使得該吸波體呈現(xiàn)兩個(gè)相鄰的吸收峰，因而拓展了吸收帶寬且厚度較薄。將磁性吸波基板和損耗頻率選擇表面相復(fù)合可以拓展吸收帶寬，有學(xué)者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其反射率小于-10 dB的頻段為3.6 GHz~18 GHz，且吸波體的密度僅為0.92 g/cm3。此外，將周期金屬結(jié)構(gòu)與損耗頻率選擇表面相復(fù)合，也可實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

超材料透波隱身技術(shù)

由于超材料可實(shí)現(xiàn)與以前常規(guī)材料截然不同的折射，因此人們對(duì)隱身的研究注意力也從單純的吸波研究擴(kuò)展到了控制電磁波的繞射從而達(dá)到隱身的目的。電磁波的傳播性質(zhì)和傳輸介質(zhì)的折射率密切相關(guān)，如果能人工調(diào)節(jié)介質(zhì)的電磁參數(shù)，如介電常數(shù)或磁導(dǎo)率，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播的控制。然而，由于之前不存在負(fù)的折射率材料，無法使得介質(zhì)的參數(shù)連續(xù)變化，達(dá)到完美控制的效果。超材料的出現(xiàn)則彌補(bǔ)了這一空白，它將隱身技術(shù)帶入了一個(gè)新時(shí)代：用這種精心設(shè)計(jì)的材料包裹隱身目標(biāo)，形成所謂的隱身套，可以控制電磁波的傳輸，實(shí)現(xiàn)從外部看來“不可見”的空間：既沒有散射波的產(chǎn)生，也沒有由于吸收而導(dǎo)致的電磁波“陰影”，從而實(shí)現(xiàn)完美隱身。由于超材料完美隱身的隱身機(jī)理是透波隱身，對(duì)材料的本構(gòu)參數(shù)有著特殊的要求，只有利用超材料才能實(shí)現(xiàn)，所以稱這種技術(shù)為超材料透波隱身技術(shù)，稱實(shí)現(xiàn)這種隱身技術(shù)的結(jié)構(gòu)為超材料隱身套（Metamaterial Clocks）。超材料透波隱身技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)吸波材料的電磁波吸收機(jī)理，是一種全新機(jī)制的隱身技術(shù)。

1.坐標(biāo)變換理論

基于上述思想，美國(guó)的J. B. Pendy以及U. Leonhatdt指出，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率按一定規(guī)律分布的超材料可以控制電磁波的行為，比如波線的曲直、電磁場(chǎng)能量的分布等。其中，Leonhardt提出的理論也稱為“光學(xué)保角變換”，這樣設(shè)計(jì)出來的轉(zhuǎn)換介質(zhì)將材料的各向異性特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，從而只剩下非均勻性的性質(zhì)。Pendry的理論則是基于Maxwell方程在伽利略變換下的坐標(biāo)協(xié)變性得到的，這一理論迅速得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，大量的基于超材料的隱身研究正是以此為基礎(chǔ)的。這一理論又稱為“光學(xué)變換理論”或“坐標(biāo)變換理論”。

簡(jiǎn)單講，“坐標(biāo)變換理論”（Coordinate Transformation Theory），就是從麥克斯韋方程的形式不變性出發(fā)，通過引入空間形變的概念，將電磁波波線的彎曲與空間形變等效起來，從而在材料的本構(gòu)參數(shù)和空間形變之間建立一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，在設(shè)計(jì)變換光學(xué)器件時(shí)，只要已知器件對(duì)波線的變換效果，就可以在數(shù)學(xué)上建立原有波線的位置坐標(biāo)與變換后波線的位置坐標(biāo)之間的映射，進(jìn)而通過坐標(biāo)變換方法求得器件的材料參數(shù)。

2.隱身斗篷

超材料隱身斗篷是這樣一種裝置：探測(cè)波（光波、電磁波或機(jī)械波）從外界進(jìn)入其內(nèi)部時(shí)，將繞過其所覆蓋的物體繼續(xù)沿入射方向傳播，沒有任何反射與損耗，就像其內(nèi)部的物體根本不存在一樣，從而實(shí)現(xiàn)了物體的完美隱身。超材料隱身斗篷之所以受到廣泛關(guān)注在于其不同于以往隱身技術(shù)的獨(dú)特的隱身機(jī)理。傳統(tǒng)隱身技術(shù)采取外形或吸波的手段將入射至目標(biāo)的探測(cè)波吸收或反射至其他方向，雖然入射波的后向反射被控制的很小，但通過多傳感器仍可感知倒入射波傳播方向及強(qiáng)度的變化從而探測(cè)到目標(biāo)存在。對(duì)于超材料隱身斗篷，波從任何方向照射都將無損耗地沿原方向傳播，是真正意義上的完美隱身。若將隱身斗篷技術(shù)應(yīng)用至雷達(dá)對(duì)抗或聲吶對(duì)抗領(lǐng)域，可使軍事目標(biāo)的抗感知能力極大提高。

世界上首個(gè)超材料隱身斗篷驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)由美國(guó)杜克大學(xué)的Smith等人完成。他們通過將包圍著超材料隱身斗篷的金屬銅柱放置于兩平行金屬板中間，從一端導(dǎo)入電磁波并測(cè)量金屬板內(nèi)部空間各點(diǎn)的電磁場(chǎng)分布，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的工作頻率為8.5 GHz的超材料隱身斗篷能夠引導(dǎo)電磁波并有效減小銅柱的散射場(chǎng)。

2013年杜克大學(xué)的卡默爾教授獲得了美國(guó)海軍一份為期五年的項(xiàng)目合同，旨在制備能夠產(chǎn)生、接收及控制聲波的設(shè)備。今年發(fā)明的三維“聲學(xué)斗篷”就是該項(xiàng)目資助的成果。該斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，在頻率為3kHz的聲波下進(jìn)行測(cè)試，表現(xiàn)出完美的隱身效果。2014年3月，美國(guó)杜克大學(xué)制造出世界上首個(gè)三維“聲學(xué)斗篷”，它是一種聲隱身裝置，能使聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑�，不反射也不透射，從而避免回波，�?shí)現(xiàn)對(duì)聲波隱身�！奥晫W(xué)斗篷”是美國(guó)海軍資助超材料項(xiàng)目的突破性成果，一旦工程化應(yīng)用將徹底顛覆主動(dòng)聲納探測(cè)定位的有效性，改變水下戰(zhàn)場(chǎng)的游戲規(guī)則。

圖 三維聲學(xué)斗篷實(shí)物圖（上）和隱身效果圖（下）

與傳統(tǒng)意義上針對(duì)探測(cè)雷達(dá)的折射式、吸波式或反射式隱身技術(shù)不同，超材料隱身是一種基于透射的新概念隱身技術(shù)，具有傳統(tǒng)隱身所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：

（1）透波效率的提高減小了反射，從而降低了雷達(dá)散射截面（RCS）；

（2）由于是透波，能量在套內(nèi)的轉(zhuǎn)換率小，從而減少了吸波所造成的二次輻射；

（3）由于透射波保持原有方向和波形，基于檢測(cè)前向波傳輸?shù)亩嗷�雷達(dá)技術(shù)無法探測(cè)到隱身目標(biāo)，具有反多基雷達(dá)偵察的能力。

超材料透波隱身技術(shù)機(jī)理是使雷達(dá)波在超材料罩中繞行并透射，如果透射率足夠高，雷達(dá)就檢測(cè)不到回波，這樣就對(duì)罩內(nèi)物體實(shí)現(xiàn)了隱身。傳統(tǒng)的吸波隱身是通過吸波材料來吸收雷達(dá)波、減少回波的方法來實(shí)現(xiàn)的，利用這種方法雖然單基雷達(dá)接收不到回波，但可以通過雙基雷達(dá)來確定其位置，從而不具有真正意義上的隱身。比較透波和吸波兩種隱身機(jī)理，可以看出透波隱身在反雷達(dá)跟蹤方面更有優(yōu)勢(shì)。

超材料隱身的發(fā)展趨勢(shì)

超材料與隱身的結(jié)合點(diǎn)，是在其所特有的“雙負(fù)”上，即“負(fù)的介電常數(shù)”和“負(fù)的磁導(dǎo)率”，而自然界的材料都是“雙正”。雷達(dá)吸波材料之所以可以吸收電磁波，就是利用的吸波材料的這兩個(gè)參數(shù)。如果這兩個(gè)參數(shù)可以任意調(diào)節(jié)或人為加以控制，那么，一定可以設(shè)計(jì)并制造出性能特異的吸波材料，這是一個(gè)宏觀的判斷。但作為工程應(yīng)用，“超材料”成為隱身材料還有一定的距離，目前面臨的問題主要有以下幾個(gè)方面：

（1）“超材料”自身還沒有形成一個(gè)嚴(yán)密的理論體系，有的只是一些現(xiàn)象或表象，還沒有達(dá)到“學(xué)”的地步，如“超材料學(xué)”，還需要科研工作者們進(jìn)一步的試驗(yàn)、研究和歸納。

（2）由于雙負(fù)的材料對(duì)應(yīng)于單頻電磁波，而從飛行器隱身的角度考慮，要求的是在寬頻條件下的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的可控。作為“超材料”，可否在寬頻條件下適用，目前學(xué)者和研究人員并沒有給出明確的結(jié)論。但這一點(diǎn)并不影響超材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用（如果能人工復(fù)合出符合要求的材料），如許多天線所輻射（或發(fā)射）的電磁波均是窄帶的（包括其所對(duì)應(yīng)的雷達(dá)天線罩）。

（3）目前超材料研究的都是非均勻的，而且是各項(xiàng)異性的材料，其實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)”特性的手段均是采用周期性結(jié)構(gòu)或電路。而這種所謂周期性結(jié)構(gòu)或電路本質(zhì)上就是3種傳統(tǒng)的雷達(dá)吸波體中的一種——電路模擬（circuit analog，CA）吸收體，其典型的應(yīng)用是通過電路模擬的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)表面帶阻或帶通問題，其特例也即通常所大量研究的頻率選擇表面——FSS，其與雷達(dá)吸收的原理不同，F(xiàn)SS并不吸收電磁波，并且是一個(gè)窄帶的問題。要實(shí)現(xiàn)一定的帶寬是有困難的，可能需要多層設(shè)計(jì)，而且在性能上并不具有優(yōu)勢(shì)。在飛行器隱身技術(shù)研究領(lǐng)域，CA的進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)受到一定的挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅鞯陌l(fā)展是寬帶的，飛行器隱身要求也是寬帶的，而且是全向的，窄帶而且是各向異性的技術(shù)應(yīng)用將有很大的局限性。

隱身材料作為隱身技術(shù)中一種重要的手段和措施，具有不可替代的地位。傳統(tǒng)的隱身材料在各方面都會(huì)有一定的局限性，因此，迫使人們探尋新的隱身材料以彌補(bǔ)和替代現(xiàn)有的隱身材料。超材料是通過在材料關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術(shù)，其作為雷達(dá)隱身材料，是隱身技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電磁隱身、電磁兼容、軍事通信、電子對(duì)抗等重要領(lǐng)域。

超材料的重要意義不僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法——人們可以在不違背物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”�！耙淮�材料，一代裝備”，創(chuàng)新材料的誕生及發(fā)展必將會(huì)催生出新的武器裝備與作戰(zhàn)樣式。隨著技術(shù)的發(fā)展和手段的不斷進(jìn)步，會(huì)有越來越多的自然界中存在或不存在的材料被研制出來，這些材料所具有的優(yōu)良特性和獨(dú)特性質(zhì)，一定會(huì)對(duì)隱身技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步提供巨大的動(dòng)力。