使用超材料實(shí)現(xiàn)新型吸波材料和天線隱身應(yīng)用的發(fā)展和應(yīng)用說明

　　吸波材料是能有效吸收入射電磁波、降低目標(biāo)回波強(qiáng)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(jì)，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(diǎn)之一，其特點(diǎn)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)（Eleetromagnetie Band Gap，EBG）、左手材料（Left Hand Material，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(jìn)展，對比分析各種吸波材料的特點(diǎn)，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，（Metamaterial Absorber，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(jì)依然是基于Salisbury屏原理，但由于MTM同相反射特性，不存在0.25 λ波長厚度限制，可以實(shí)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(shí)現(xiàn)超薄吸波材料的構(gòu)想?；谠摌?gòu)想.2005年，S.Simms等利用 mushroom-like EBG結(jié)構(gòu)實(shí)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(shí)現(xiàn)一定頻帶內(nèi)的吸波作用。以此設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，Gao等進(jìn)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(jì)。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(shí)，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(shí)，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(diǎn)是結(jié)構(gòu)較厚，吸收頻帶較窄。 2007年，Maurice Paquay等利用高阻EBG結(jié)構(gòu)的同相反射特性，設(shè)計(jì)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(shí)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(biāo)RCS可降低20 dB以上，-10 dB吸收帶寬為6.45 %，結(jié)構(gòu)厚為0.062 5 λ。針對該設(shè)計(jì)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(jìn)方案。通過改進(jìn)，該型吸波材料的-10 dB吸收帶寬分別達(dá)到58.5%和 32 %，結(jié)構(gòu)厚度降至0.042λ。