基于變換光學(xué)的超材料隱身技術(shù)研究進(jìn)展

人工電磁超構(gòu)材料的出現(xiàn)，使電磁隱身技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破。人工電磁超構(gòu)材料（Metamaterial）簡(jiǎn)稱為“超材料”，是一種由亞波長(zhǎng)量級(jí)的人工“類原子”進(jìn)行周期性或者非周期性排布而成的新型人工復(fù)合材料。人工電磁超構(gòu)表面（Metasurface）可以看作是超材料的二維平面形式，簡(jiǎn)稱為“超表面”。電磁超構(gòu)表面具有剖面超薄、損耗較低且易于設(shè)計(jì)、加工與集成等優(yōu)勢(shì)。在電磁隱身、電磁隔離與雷達(dá)探測(cè)等微波頻段的熱門領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)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(shù)字化和智能化。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南京信息工程大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)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(xiàn)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(diào)制型超構(gòu)表面隱身技術(shù)等。

超材料/超表面隱身技術(shù)概述

當(dāng)電磁波照射到目標(biāo)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射、散射等物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的強(qiáng)弱通常與目標(biāo)的物理尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常情況下，可以使用雷達(dá)散射截面積（SRCS）來(lái)衡量微波波段內(nèi)目標(biāo)產(chǎn)生的回波強(qiáng)度。

電磁隱身技術(shù)旨在降低目標(biāo)物體的RCS，從而降低目標(biāo)被探測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)，在電磁兼容、偽裝技術(shù)、低可偵測(cè)技術(shù)、陣列天線技術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域中具有重要價(jià)值。在后文中，將對(duì)幾種主流的電磁超材料/超表面隱身技術(shù)進(jìn)行總結(jié)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(xiàn)隱身衣設(shè)計(jì)的構(gòu)想。由于麥克斯韋方程在坐標(biāo)變換后可以保持形式不變，Pendry教授提出了通過(guò)合理構(gòu)建變換媒質(zhì)的本構(gòu)參數(shù)來(lái)有效調(diào)控電磁波傳播路徑的方法。該方法可以構(gòu)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(gòu)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(nèi)放置的任意目標(biāo)物體都將處于電磁屏蔽的狀態(tài)，外部電磁探測(cè)器無(wú)法對(duì)該區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)完美隱身。超構(gòu)材料對(duì)本構(gòu)參數(shù)的強(qiáng)大調(diào)控能力，為這種變換光學(xué)隱身衣實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。

圖1 變換光學(xué)隱身衣的工作原理

2006年底，美國(guó)杜克大學(xué)的Smith教授課題組首次在微波波段設(shè)計(jì)出了基于變換光學(xué)的柱狀隱身衣，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該隱身衣的照片如圖2所示，它所使用的超材料是由開口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)周期排布而成。通過(guò)調(diào)節(jié)開口環(huán)諧振器的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸，可以自由調(diào)控超材料的等效電磁參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)這類超材料隱身衣。

圖2 微波頻段首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的變換光學(xué)隱身衣實(shí)物照片

為了簡(jiǎn)化變換光學(xué)隱身衣的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)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(duì)傳統(tǒng)的變換光學(xué)加以改進(jìn)，引入準(zhǔn)共形映射的方法，通過(guò)選取合適的坐標(biāo)變換，使隱身衣所需的電磁本構(gòu)參數(shù)的各向異性達(dá)到最小化。研究發(fā)現(xiàn)，僅需使用純介質(zhì)材料以及合理的介電常數(shù)值就可以實(shí)現(xiàn)一些特定的變換媒質(zhì)，且這種變換在光頻段內(nèi)可以具有較寬的工作帶寬。如圖3所示，將準(zhǔn)共形映射法設(shè)計(jì)出的毯式隱身衣覆蓋在反射面上形狀不規(guī)則的凸起物上，可以使這塊被覆蓋的凸起區(qū)域在電磁波的照射下呈現(xiàn)出完全平坦的效果，以此對(duì)“地毯”下方的任何物體實(shí)現(xiàn)完美隱藏。

2009年，美國(guó)杜克大學(xué)Smith課題組利用非諧振的工字型構(gòu)成的超構(gòu)材料，首次在微波波段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這類基于準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)首次在微波波段實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了三維地毯式隱身衣。此后，從微波頻段到光頻段，此類寬帶毯式隱身方法的可行性均得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 毯式隱身衣的工作原理

隨著變換光學(xué)隱身技術(shù)的不斷進(jìn)步，科研人員已將該設(shè)計(jì)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(yīng)用。但即使是工作帶寬得到了有效提升的毯式隱身衣，也面臨著一些應(yīng)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(xiàn)對(duì)電磁波方向的調(diào)控，因此，設(shè)計(jì)出的隱身衣仍然不可避免地有著體積和質(zhì)量大等特點(diǎn)。

為了解決這些問(wèn)題，科研工作者們陸續(xù)提出了一些其他的超薄隱身衣的設(shè)計(jì)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(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)散射的有效縮減；基于相位調(diào)制超構(gòu)表面的隱身技術(shù)為更加靈活地調(diào)控電磁散射提供了可能性，進(jìn)一步增加了電磁波探測(cè)器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別的難度。

等離激元隱身衣及覆罩式隱身衣

如上文所述，變換光學(xué)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)完美隱身的理想方法。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，只能使用近似的參數(shù)對(duì)這類隱身衣進(jìn)行構(gòu)建。例如，根據(jù)變換光學(xué)理論，完美隱身衣內(nèi)徑處的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率應(yīng)為無(wú)窮，而實(shí)際上實(shí)驗(yàn)無(wú)法制備出符合該要求的材料。因此，變換光學(xué)隱身衣的樣件性能將受限于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件。

基于散射相消原理實(shí)現(xiàn)的隱身技術(shù)不會(huì)面臨實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的難題。散射相消的方法最初由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Enghta教授課題組于2005年提出。其中心思想是：電磁波入射到任意目標(biāo)物體時(shí)會(huì)發(fā)生散射，如果能夠在目標(biāo)物體的散射場(chǎng)內(nèi)引入另一個(gè)與之反相的散射場(chǎng)，2個(gè)散射場(chǎng)疊加后將會(huì)相互抵消，整個(gè)系統(tǒng)的總散射從而得到抑制。如圖5所示，Enghta教授課題組用一個(gè)較小介電常數(shù)（介電常數(shù)小于周圍介質(zhì)）的等離子體球形外殼包裹一個(gè)較大介電常數(shù)（介電常數(shù)大于周圍介質(zhì)）的球狀介質(zhì)目標(biāo)。

在TM極化平面波入射的條件下，通過(guò)調(diào)控等離子球形外殼的直徑，可以使等離子體球形外殼感應(yīng)出與球狀介質(zhì)目標(biāo)相反的偶極矩，二者的散射相互抵消，球狀介質(zhì)目標(biāo)的總散射截面積因而可以接近于0。由于這種隱身技術(shù)是利用隱身器件本身固有的非諧振特性來(lái)實(shí)現(xiàn)散射的抑制，因此，設(shè)計(jì)出的隱身衣性能通常魯棒性較好，工作帶寬也比變換光學(xué)隱身衣更寬。此外，構(gòu)建這類隱身衣采用的是均勻且各向同性的材料，這與變換光學(xué)隱身衣對(duì)材料性能和加工工藝的嚴(yán)苛要求形成了鮮明對(duì)比。因此，這類隱身衣的物理實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度大幅度降低。在實(shí)驗(yàn)上，這類隱身衣可以通過(guò)設(shè)計(jì)等離激元超構(gòu)材料或超薄共形超構(gòu)表面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。下面分別對(duì)這2類隱身衣進(jìn)行介紹。

圖4 微波頻段毯式隱身衣的實(shí)物照片

圖5 等離激元隱身衣的工作原理

2009年，Enghta教授課題組首次在微波段用等離激元超構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種基于散射相消原理的隱身技術(shù)在微波波段的可行性。他們?cè)谥鶢钅繕?biāo)的外部沿徑向放置12個(gè)金屬平板，且保持相鄰金屬平板之間的距離相等。將這12個(gè)金屬平板浸泡在相對(duì)介電常數(shù)ε=21的丙酮中，就可以在工作頻點(diǎn)1.93 GHz處構(gòu)造出一個(gè)等效介電常數(shù)εr=?22的等離激元隱身衣，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載了該隱身衣的柱狀介質(zhì)目標(biāo)（介電常數(shù)為ε=6）的總散射截面積縮減了約75%。此后，科研人員們基于散射相消原理進(jìn)一步開展了許多關(guān)于這類隱身技術(shù)的研究工作。

與等離激元隱身衣相似，覆罩式隱身衣也是通過(guò)抵消目標(biāo)散射場(chǎng)的主要散射項(xiàng)來(lái)抑制總散射場(chǎng)。不同之處在于，覆罩式隱身衣采用的不是能夠感應(yīng)出反相偶極矩的等離子體球體外殼，而是一層超薄的阻抗表面，如圖7所示。通過(guò)合理設(shè)計(jì)這層阻抗表面的平均表面阻抗，該阻抗表面被激勵(lì)起的表面感應(yīng)電流能夠產(chǎn)生與目標(biāo)相反的散射場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)散射相消。這種隱身技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：質(zhì)量小、厚度超薄、易于共形且方便加工制備等。此外，由于入射電磁波能夠穿透這類隱身衣，因此，位于其內(nèi)部的目標(biāo)/傳感器可以在不被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的情況下，保持與外部信號(hào)的正常通信。

這些特性使這類覆罩式隱身衣在抗干擾通信、傳感和非侵入探測(cè)等許多領(lǐng)域中展現(xiàn)了良好的實(shí)際應(yīng)用潛力和價(jià)值。此后，科研工作者們?cè)诖嘶A(chǔ)上，陸續(xù)提出了寬帶和雙頻雙層覆罩式隱身衣、各向異性覆罩式隱身衣、雙頻單層覆罩式隱身衣、寬帶橢圓柱體覆罩式隱身衣、適用于大尺寸目標(biāo)的覆罩式隱身衣以及加載有非福斯特器件的寬帶覆罩式隱身衣等設(shè)計(jì)。近年來(lái)，隨著可重構(gòu)、可調(diào)控技術(shù)的逐步成熟，可調(diào)超薄覆罩式隱身衣的研究與設(shè)計(jì)吸引了大批科研人員的目光。

2014年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Alù教授課題組提出了在傳統(tǒng)覆罩式隱身衣上加載變?nèi)?a target="_blank">二極管的方案。數(shù)值仿真結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱身衣的有效表面阻抗的實(shí)時(shí)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)散射抑制頻段的靈活調(diào)控。同年，東南大學(xué)崔鐵軍院士課題組進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了加載有變?nèi)荻O管的可調(diào)覆罩式隱身衣可以在更寬的可調(diào)工作帶寬上抑制目標(biāo)的散射。2021年，南京大學(xué)馮一軍教授課題組將空間可重構(gòu)的概念引入隱身衣的設(shè)計(jì)中，提出了一種嶄新的表面阻抗調(diào)控方法，僅需調(diào)控PIN二極管的“通”和“斷”，即可在連續(xù)且較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻段的靈活調(diào)控。

基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的隱身技術(shù)

為了降低低散射器的整體厚度，空軍工程大學(xué)屈紹波教授課題組進(jìn)一步提出了一種基于微波網(wǎng)絡(luò)理論的超薄電磁隱身衣的實(shí)現(xiàn)方案，如圖8a所示。該隱身衣的諧振單元可以等效為一個(gè)三端口微波網(wǎng)絡(luò)，如圖8b所示。在電磁波正入射的情況下，單元可以通過(guò)端口3有效地將入射電磁波耦合至兩側(cè)微帶線上的端口1和2，而端口1和2能夠?qū)⒔邮盏降碾姶拍芰垦刂Ь€傳輸至相鄰的單元中，直至最終重新將電磁波耦合至前向空間。通過(guò)該方法，屈紹波教授課題組設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了一款超薄柱狀低散射器（厚度僅為0.025λ）。該方案雖然不能夠?qū)崿F(xiàn)完美的隱身效果，但可以有效地降低目標(biāo)的總散射。

圖6 等離激元隱身衣在微波段的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 覆罩式隱身衣的實(shí)現(xiàn)形式舉例

圖8 首個(gè)基于微波傳輸網(wǎng)絡(luò)理論實(shí)現(xiàn)的超薄隱身衣

此后，一些科研工作者基于這種設(shè)計(jì)機(jī)理先后提出了超薄雙頻柱狀低散射器以及任意形狀的超薄低散射器等設(shè)計(jì)方案。這種基于微波等效傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路為實(shí)現(xiàn)超薄低散射器提供了一種嶄新的方案。然而，在這類技術(shù)方案中，為了實(shí)現(xiàn)低散射器的超薄厚度，通常需要采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板，這對(duì)加工制備任意形狀的這類低散射器提出了新的挑戰(zhàn)。到目前為止，這類低散射器的研究工作尚停留在理論設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真驗(yàn)證階段。實(shí)驗(yàn)制備與驗(yàn)證這類隱身衣仍然是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。

基于相位調(diào)制超表面的隱身技術(shù)

超表面的出現(xiàn)為調(diào)控電磁波提供了一條新的途徑。它具有深亞波長(zhǎng)的厚度、靈活調(diào)控電磁波的能力、較低的損耗、易于共形、易于制備、易于集成等特點(diǎn)，促進(jìn)了超表面隱身衣的發(fā)展。通過(guò)合理設(shè)計(jì)超表面的單元結(jié)構(gòu)以及相位分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相位型超表面散射的有效調(diào)控，達(dá)到“隱身”的目的。

2013年，東南大學(xué)的崔鐵軍院士課題組首次提出了超構(gòu)表面毯式隱身衣的想法，并在微波段對(duì)基于二維超表面的毯式隱身衣進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。2015年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的張翔教授課題組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于相位調(diào)制超構(gòu)表面的超薄毯式隱身衣。

該超構(gòu)表面隱身衣由亞波長(zhǎng)的金納米天線構(gòu)成，它可以在2π 范圍內(nèi)調(diào)控反射光波的相位，如圖9所示。通過(guò)精心設(shè)計(jì)納米天線的結(jié)構(gòu)和排布，覆蓋在凸起目標(biāo)上的超薄超表面（厚度僅為80 nm，即0.11λ）能夠成功模擬出金屬平板反射光波的相位分布，從而實(shí)現(xiàn)“地毯式隱身”。這種設(shè)計(jì)方法迅速吸引了大量科研工作者的研究興趣，如：Yang等通過(guò)獨(dú)立調(diào)控2層超構(gòu)表面的相位分布，實(shí)現(xiàn)了雙頻雙層超構(gòu)表面地毯式隱身衣的設(shè)計(jì)；Jiang等利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一款極化不敏感的可共形地毯式隱身衣。

圖9 超薄超表面毯式隱身衣結(jié)構(gòu)

隨著隱身技術(shù)的迅猛發(fā)展，多變的入射波模式和外部環(huán)境對(duì)隱身裝置的性能提出了更高的要求。人們希望隱身裝置的工作不再局限于固定的來(lái)波模式或背景環(huán)境。有源超構(gòu)表面的不斷發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一期待提供了可能性。2018年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的羅先剛院士課題組首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)幻覺(jué)調(diào)控的毯式超構(gòu)表面隱身衣，如圖10所示。通過(guò)調(diào)節(jié)加載在超構(gòu)表面單元的變?nèi)荻O管的電壓，可以動(dòng)態(tài)且連續(xù)地調(diào)控該超構(gòu)表面的反射相位，從而使散射波波前被重構(gòu)為多個(gè)預(yù)期狀態(tài)，生成不同物體的電磁圖像，達(dá)到電磁欺騙的目的。2020年，浙江大學(xué)陳紅勝教授課題組設(shè)計(jì)出了一款能夠迅速根據(jù)背景環(huán)境和來(lái)波模式進(jìn)行自適應(yīng)響應(yīng)的新一代智能毯式超表面隱身衣，如圖11所示。該超表面與人工智能算法進(jìn)行結(jié)合，在沒(méi)有任何人為干預(yù)的情況下，能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)變化的入射波和背景環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)整相位分布，實(shí)時(shí)重構(gòu)出與背景一致的散射場(chǎng)。

圖10 幻覺(jué)可重構(gòu)的毯式超表面隱身衣

圖11 基于深度學(xué)習(xí)的微波段自適應(yīng)超表面毯式隱身衣

除了毯式隱身衣之外，相位型超表面還可用于獨(dú)立式隱身衣的設(shè)計(jì)。例如，南京大學(xué)馮一軍教授課題組利用透明金屬銦錫氧化物（ITO）和柔性介質(zhì)基板實(shí)現(xiàn)了光學(xué)透明的柔性編碼超構(gòu)表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該柔性編碼超構(gòu)表面適用于抑制各種不規(guī)則外形目標(biāo)的散射，且可在寬頻帶內(nèi)有效縮減目標(biāo)的背向散射。

結(jié)語(yǔ)

本文概述了基于人工電磁超材料/超表面的隱身技術(shù)的研究進(jìn)展。從基本概念、工作原理以及性能優(yōu)勢(shì)等方面對(duì)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(diào)制型超構(gòu)表面隱身技術(shù)在內(nèi)的幾種主流的超材料隱身技術(shù)進(jìn)行了介紹。研究結(jié)果表明，超材料的提出與發(fā)展為提升隱身器件的性能提供了切實(shí)可行的新研究思路。理想的隱身器件應(yīng)具有超薄、寬帶、全極化、全向、易于制造、低損耗、低成本等特點(diǎn)，但顯然任何超材料隱身技術(shù)都難以同時(shí)滿足這些要求。

因此，應(yīng)根據(jù)需求合理地選擇隱身技術(shù)。在器件集成化、環(huán)境復(fù)雜化以及需求多樣化的趨勢(shì)下，現(xiàn)有的隱身技術(shù)仍然存在著許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和應(yīng)用難點(diǎn)。例如：針對(duì)微波低頻段，實(shí)現(xiàn)超薄、寬帶、可共形的隱身器件設(shè)計(jì)，對(duì)科研工作者而言仍然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。此外，新興作戰(zhàn)平臺(tái)上的雷達(dá)等射頻傳感器將以智能蒙皮的形態(tài)出現(xiàn)，復(fù)雜多變的電磁隱身環(huán)境對(duì)智能化的電磁隱身材料產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。因而發(fā)展智能可調(diào)控的隱身技術(shù)以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的來(lái)波模式、背景環(huán)境和應(yīng)用需求已然成為隱身技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

審核編輯：劉清