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超材料在隐身技术领域的研究进展

2020-06-29 20:10:23 来源:璟璟网

讯:超材料(Metamaterial)是一类由亚波长结构单元作为基本单元构成的具有自然材料不具备的超材料物理特性的人工复合结构或材料,在长波长条件下,具有等效介电常数和等效磁导率,电磁参数依赖于其基本构成单元的谐振特性。通过对人工结构单元结构参数的调节,可实现对超材料电磁参数、反射相位、透射相位、手征参数等的自由设计。因此,超材料具有很大的设计灵活度,在新型物理器件、天线系统、隐身材料等领域具有巨大的潜在应用价值。

隐身技术是现代军事中具有巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术。近几年来,超材料在隐身领域的研究也受到了广泛的关注,利用超材料不同的物理性质可以实现不同物理机制的隐身。

超材料吸波隐身技术

电磁波吸波材料是武器装备的重要材料之一,可以大幅降低飞行器的雷达散射截面积,从而提高其生存防御能力和总体作战性能。吸波材料是指能吸收、衰减入射电磁波,并将电磁能量转换成其他形式的能量而耗散掉,或调制电磁波使其因干涉相消的材料。超材料出现后研究人员将其引入雷达吸波材料结构体中,结合其损耗特性和频率响应特性开展广泛研究。

超材料吸波隐身技术的吸波机理是:在谐振和反谐振区域,标志材料损耗特性的复介电常数和复磁导率的虚部也达到了峰值,这意味着超材料会对电磁波表现出强烈的吸收特性,因而基于超材料可以设计出具有强吸波效应的吸收剂。超材料既可以单独作为吸波材料使用,也可以与传统吸波材料复合,从而制备出满足微波隐身“薄、轻、宽、强”要求的新型复合吸波材料。作为结构型的超材料,在作为隐身材料使用时,由于其工作频率、介电常数和磁导率等电磁参数的易调节性,容易实现超材料的吸波层与自由空间的阻抗匹配,从而大幅度减少反射波强度罩。

超材料吸波结构按功能可以分为极化不敏感多角度入射型吸波材料、双频及多频吸波材料、宽频及超宽带吸波材料以及可调谐型吸波材料。下面,分别就电磁超材料吸波结构亟待解决的问题介绍超材料吸波结构的研究情况。

1.极化无关超材料吸波结构

Landy等首次提出完美吸收超材料吸波体,该窄带吸波体由印刷在介质板两面的超材料单元组成,其正面为开口谐振环、背面为间断的金属条带。当入射电磁波频率位于该结构谐振频率附近时,电磁波将被限制在该结构内,在达到阻抗匹配的情况下,具有损耗的电介质会对电磁波产生强损耗吸收。超材料吸波体在窄频带范围内能够获得接近100%的吸波率而受到广泛关注。由于该结构对称,所以存在着各向异性的特点,即电磁波极化方向改变后吸波结构的吸波特性会发生改变。

为了能够消除吸波材料各向异性的特点,使其具备极化不敏感的性质,提出了基于具有高对称性的圆环和圆片的平面超材料吸波体,该结构采用了中心对称的形式,以此来消除各向异性。通过理论和实验均证明了四向对称形状等类似的中心对称型电磁谐振环可以增强吸波材料极化不敏感特性。此外,针对极化不敏感特性提出了基于树枝状结构的极化无关超材料吸波体,仿真结果显示其电磁波吸收率达到了90%,并且可以看到更好的中心对称型使得这种结构拥有了更好的极化不敏感特性。

2.多频带超材料吸波结构

为实现多频带吸收,有学者通过实验验证了基于圆环形电谐振器的双频带吸收超材料吸波体,通过将极化相关的电谐振器旋转90度排列分布实现了双频带吸收,且其对斜入射横电极化和横磁极化电磁波在60度时仍具有较好的吸收效果。他们还制作了基于单一电谐振结构的双频带吸收,且具有极化无关和宽角度吸收特性。并将多个具有不同尺寸大小的经典电谐振结构在同一平面内进行复合,理论分析并实验验证了具有三频带吸收特性的超材料吸波体。进而有学者发现采用结构比较复杂的单一周期单元结构并采用六边形阵列分布可实现双频带极化无关超材料吸波体,由于两个吸收频带相距较近,因而同时拓展了吸收带宽。通过后续实验验证了基于同一平面内三个具有不同尺寸大小的同心金属方环结构的三频带吸收超材料吸波体,该吸波体具有宽角度吸收、极化无关和厚度薄等优点,并同时分析了其损耗吸收的来源,在微波波段,损耗主要来自于损耗介质的介电损耗,而周期金属结构中所存在的欧姆损耗在微波波段则可以忽略不计。此外,还有学者采用不处于同一平面内的多个金属方环实验验证了三频带吸收且是极化无关的超材料吸波体。

3.宽带超材料吸波结构

为拓展超材料吸波体的吸收带宽,将具有不同尺寸大小的树枝状结构复合起来,通过谐振叠加拓展了超材料吸波体的吸收带宽,测试结果表明,反射率小于10%的频带为9.79GHz~11.72GHz。基于损耗频率选择表面的宽带超材料吸波体,其周期单元中的十字和分形方片结构间的耦合可以提高吸波体的吸收带宽,制得的4mm厚度宽带超材料吸波体样品吸波带宽可达到12GHz。将周期方片结构损耗频率选择表面与含有开口环谐振器的超材料基板相复合,使得该吸波体呈现两个相邻的吸收峰,因而拓展了吸收带宽且厚度较薄。将磁性吸波基板和损耗频率选择表面相复合可以拓展吸收带宽,有学者实验验证其反射率小于-10dB的频段为3.6GHz~18GHz,且吸波体的密度仅为0.92g/cm3。此外,将周期金属结构与损耗频率选择表面相复合,也可实现宽带吸收。

超材料透波隐身技术

由于超材料可实现与以前常规材料截然不同的折射,因此人们对隐身的研究注意力也从单纯的吸波研究扩展到了控制电磁波的绕射从而达到隐身的目的。电磁波的传播性质和传输介质的折射率密切相关,如果能人工调节介质的电磁参数,如介电常数或磁导率,则可以实现对电磁波传播的控制。然而,由于之前不存在负的折射率材料,无法使得介质的参数连续变化,达到完美控制的效果。超材料的出现则弥补了这一空白,它将隐身技术带入了一个新时代:用这种精心设计的材料包裹隐身目标,形成所谓的隐身套,可以控制电磁波的传输,实现从外部看来“不可见”的空间:既没有散射波的产生,也没有由于吸收而导致的电磁波“阴影”,从而实现完美隐身。由于超材料完美隐身的隐身机理是透波隐身,对材料的本构参数有着特殊的要求,只有利用超材料才能实现,所以称这种技术为超材料透波隐身技术,称实现这种隐身技术的结构为超材料隐身套(MetamaterialClocks)。超材料透波隐身技术完全不同于传统吸波材料的电磁波吸收机理,是一种全新机制的隐身技术。

1.坐标变换理论

基于上述思想,美国的J.B.Pendy以及U.Leonhatdt指出,介电常数和磁导率按一定规律分布的超材料可以控制电磁波的行为,比如波线的曲直、电磁场能量的分布等。其中,Leonhardt提出的理论也称为“光学保角变换”,这样设计出来的转换介质将材料的各向异性特性进行了简化,从而只剩下非均匀性的性质。Pendry的理论则是基于Maxwell方程在伽利略变换下的坐标协变性得到的,这一理论迅速得到了学术界的广泛关注,大量的基于超材料的隐身研究正是以此为基础的。这一理论又称为“光学变换理论”或“坐标变换理论”。

简单讲,“坐标变换理论”(CoordinateTransformationTheory),就是从麦克斯韦方程的形式不变性出发,通过引入空间形变的概念,将电磁波波线的弯曲与空间形变等效起来,从而在材料的本构参数和空间形变之间建立一种对应关系。通过这种对应关系,在设计变换光学器件时,只要已知器件对波线的变换效果,就可以在数学上建立原有波线的位置坐标与变换后波线的位置坐标之间的映射,进而通过坐标变换方法求得器件的材料参数。

2.隐身斗篷

超材料隐身斗篷是这样一种装置:探测波(光波、电磁波或机械波)从外界进入其内部时,将绕过其所覆盖的物体继续沿入射方向传播,没有任何反射与损耗,就像其内部的物体根本不存在一样,从而实现了物体的完美隐身。超材料隐身斗篷之所以受到广泛关注在于其不同于以往隐身技术的独特的隐身机理。传统隐身技术采取外形或吸波的手段将入射至目标的探测波吸收或反射至其他方向,虽然入射波的后向反射被控制的很小,但通过多传感器仍可感知倒入射波传播方向及强度的变化从而探测到目标存在。对于超材料隐身斗篷,波从任何方向照射都将无损耗地沿原方向传播,是真正意义上的完美隐身。若将隐身斗篷技术应用至雷达对抗或声呐对抗领域,可使军事目标的抗感知能力极大提高。

世界上首个超材料隐身斗篷验证实验由美国杜克大学的Smith等人完成。他们通过将包围着超材料隐身斗篷的金属铜柱放置于两平行金属板中间,从一端导入电磁波并测量金属板内部空间各点的电磁场分布,验证了所设计的工作频率为8.5GHz的超材料隐身斗篷能够引导电磁波并有效减小铜柱的散射场。

与传统意义上针对探测雷达的折射式、吸波式或反射式隐身技术不同,超材料隐身是一种基于透射的新概念隐身技术,具有传统隐身所无法比拟的优点:

(1)透波效率的提高减小了反射,从而降低了雷达散射截面(RCS);

(2)由于是透波,能量在套内的转换率小,从而减少了吸波所造成的二次辐射;

(3)由于透射波保持原有方向和波形,基于检测前向波传输的多基雷达技术无法探测到隐身目标,具有反多基雷达侦察的能力。

超材料透波隐身技术机理是使雷达波在超材料罩中绕行并透射,如果透射率足够高,雷达就检测不到回波,这样就对罩内物体实现了隐身。传统的吸波隐身是通过吸波材料来吸收雷达波、减少回波的方法来实现的,利用这种方法虽然单基雷达接收不到回波,但可以通过双基雷达来确定其位置,从而不具有真正意义上的隐身。比较透波和吸波两种隐身机理,可以看出透波隐身在反雷达跟踪方面更有优势。

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