新型人工电磁材料或超材料蕴含的物理意义及应用

新型人工电磁材料或超材料蕴含的物理意义及应用04011131时鹏摘要：新型人工电磁材料由基本结构单元按照一定拓扑结构排列构成，这种结构单元群使得其对电磁波表现出特殊的电磁响应，是目前电磁学和材料学等领域研究的前沿，受到各国学者的广泛关注。其中，新型人工电磁材料重要的应用方向之一是在隐身技术领域。通过人工电磁结构单元可以实现对电磁波响应的调控，无论从改善传统吸波材料性能还是新的吸波机理发现，新型人工电磁材料料都表现出了巨大的发展潜力。该文介绍了一种最有可能应用于隐身技术的人工电磁材料—高阻抗表面，着重分析了该类吸波材料的工作原理以及提高吸波性能的途径，并通过数值计算和实验的方法进行了验证，最后归纳总结了该领域一些存在的问题以及发展趋势。关键词：人工电磁材料；隐身技术；超薄什么是人工结构电磁材料？中学时老师告诉我们，当一束光从空气斜射入水中，入射光与折射光应该在法线两侧。那么，是否存在这样一种介质，当光入射其中，入射光与折射光位居法线同侧？1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现，介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质，与常规材料不同，从而在理论上预测了上述“反常”现象。超材料的概念便源于此。Metamaterial(超材料)，其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义，因此一般文献中给出人工电磁材料的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。”也就是大家津津乐道的“超材料”。人工电磁材料是将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特性的人工结构材料。新型人工电磁材料是指一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质。换句话说，人工电磁材料是通过在传统媒质材料中嵌入某种周期或非周期结构的单元，构造出自然媒质不具有的新型电磁特性的人工周期材料。从2000年至今，新型人工电磁材料这一领域得到了突飞猛进的发展，得到了电磁学、光学、声学、纳米科学等诸多学科的关注。关于人工电磁材料的研究最早开始于微波频段，目前也是最为成熟的领域。其中，新型人工电磁材料在隐身技术中的应用研究是目前微波频段的重要方向之一。2006年，J．Pendry等指出，麦克斯韦方程经过坐标系变换后，可以提供特定分布的折射率，从而实现对电磁波传播方向的控制，并随后制备出了完美隐身斗篷，成功的验证了微波隐身。由于该隐身斗篷含有谐振结构单元，对电磁波能量的损耗较大，在这种情况下，入射波依然有后向散射。2009年，T.J.Cui等人制备出了由非谐振单元构成的隐身斗篷，可以在13~16GHz范围内隐身，带宽较基于谐振单元隐身斗篷工作带宽有大幅的提高。上述隐身斗篷都是通过改变电磁波的传输路径实现完美隐身，且其构造及其复杂，由成千上万基本机构单元组成，短时期内难以获得应用，特别是在武器装备应用方面更难。然而，结构相对简单的高阻抗表面有望在军事隐身技术中获得大量的应用。人工电磁结构雷达吸波材料所谓吸波材料，指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。传统的吸波材料大多是基于Salisbury吸波体，它是将损耗电阻片置于距离接地基体中心频率的1/4波长处位置，使反射电磁波相互干涉从而吸收电磁波，是一种窄带型吸波材料。为了展宽其带宽，使用多层结构技术是一种常用的方法，如典型的Jauman吸收体。但是，这样会增加吸波材料的厚度，不利于实际应用。因此，研究者提出了基于高阻抗表面的吸波材料，高阻抗表面通常由容性的金属或损耗频率选择表面构成。这类吸波材料的基本工作原理通过传输线理论获得了较好的解释。吸波材料的损耗机制大致可以分为以下几类：一，电阻型损耗，此类吸收机制和材料的导电率有关的电阻性损耗，即导电率越大，载流子引起的宏观电流（包括电场变化引起的电流以及磁场变化引起的涡流）越大，从而有利于电磁能转化成为热能。二，电介质损耗，它是一类和电极有关的介质损耗吸收机制，即通过介质反复极化产生的“摩擦”作用将电磁能转化成热能耗散掉。电介质极化过程包括：电子云位移极化，极性介质电矩转向极化，电铁体电畴转向极化以及壁位移等。三，磁损耗，此类吸收机制是一类和铁磁性介质的动态磁化过程有关的磁损耗，此类损耗可以细化为：磁滞损耗，旋磁涡流、阻尼损耗以及磁后效效应等，其主要来源是和磁滞机制相似的磁畴转向、磁畴壁位移以及磁畴自然共振等。此外，最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点。根据传输线理论可知，接地基体等效阻抗在低于1/4波长的频带内为感性，在高于1/4波长的频带内为容性，而频率选择表面的等效阻抗则与此正好相反。因此，在较宽的频带内可以满足阻抗匹配，从而获得宽带吸波性能，本文将称之为宽带型吸波材料。通常情况下，通过采用电磁参数较大的基体可以在一定程度上减小吸波材料的厚度，但同时会导致吸收带宽的缩减。如果工作频率位于小于基体1/4波长的频带内，这时吸波材料的厚度可以远远小于工作波长，文中将称之为超薄型吸波材料。事实上，超薄型吸波材料是宽频型吸波材料的低频极限，因而二者在诸多方面是相通的。吸收材料的形状有：劈尖形：微波暗室采用的吸收体常做成尖劈形（金子塔形状），主要由聚氨酯泡沫型、无纺布难燃型、硅酸盐板金属膜组装型等。着频率的降低（波长增长），吸收体长度也大大增加，普通尖劈形吸收体有近似关系式L/λ≈1，所以在100MHz时，尖劈长度达3000mm，不但在工艺上难以实现，而且微波暗室有效可用空间也大为减少。国外最早研制成的吸收体就是单层平板形，后来制成的吸收体都是直接贴在金属屏蔽层上，其厚度薄、重量轻，但工作频率范围较窄。双层或多层平板形：这种吸收体可在很宽的工作频率范围内工作，且可制成任意形状。如日本NEC公司将铁氧体和金属短纤维均匀分散在合适的有机高分子树脂中制成复合材料，工作频带可拓宽40%～50%。其缺点是厚度大、工艺复杂、成本较高。涂层形：在飞行器表面只能用涂层型吸收材料，为展宽频率带，一般都采用复合材料的涂层。如锂镉铁氧体涂层厚度为2.5mm～5mm时，在厘米波段，可衰减8.5dB;尖晶石铁氧体涂层度为2.5mm时，在9GHz可衰减24dB；铁氧体加氯丁橡胶涂层厚度为1.7mm～2.5mm时，在5GHz～10GHz衰减达30dB左右。结构形：将吸收材料掺入工程塑料使其既具有吸收特性，又具有载荷能力，这是吸收材料发展的一个方向。如今，为进一步提高吸收材料的性能，国外还发展了几种形状组合的复杂型吸收体。如日本采用该类吸收体制成的微波暗室，其性能为：136MHz，25dB；300MHz，30dB；500MHz,40dB;1GHz～40GHz,45dB。新型人工电磁材料的应用：在日益重要的隐身和电磁兼容（EMC）技术中，电磁波吸收材料的作用和地位十分突出，已成为现代军事中电子对抗的法宝和“秘密武器”，其工程应用主要在以下几个方面。（1）隐身技术：在飞机、导弹、坦克、舰艇、仓库等各种武器装备和军事设施上面涂复吸收材料，就可以吸收侦察电波、衰减反射信号，从而突破敌方雷达的防区，这是反雷达侦察的一种有力手段，减少武器系统遭受红外制导导弹和激光武器袭击的一种方法。如美国B－1战略轰炸机由于涂复了吸收材料，其有效反射截面仅为B－52轰炸机的1/50；在0H－6和AH－1G型眼镜蛇直升机发动机的整流罩上涂复吸收材料后可使发动机的红外辐射减弱90%左右。在1990年的海湾战争中，美国首批进入伊拉克境内的F－117A飞机就是涂复了吸收材料的隐形飞机，它们有效避开了伊拉克的雷达监测。据悉，瑞典海军如今研制成功的世界上第一艘隐形战舰已投入使用，美、英、日、俄等国均已研制出自己的隐形坦克和其它隐形作战车辆。此外，电磁波吸收材料还可用来隐蔽着落灯等机场导航设备及其它地面设备、舰船桅杆、甲板、潜艇的潜望镜支架和通气管道等设备。（2）改善整机电磁兼容性能飞机机身对电磁波反射产生的假信号，可能导致高灵敏机载雷达假截获或假跟踪；一驾飞机或一艘舰船上的几部雷达同时工作时，雷达收发天线间的串扰有时十分严重，机上或舰上自带的干扰机也会干扰自带的雷达或通信设备……。为减少诸如此类的干扰，国外常用吸收材料优良的磁屏蔽来提高雷达或通信设备的性能。如在雷达或通信设备机身、天线和周围一切干扰物上涂复吸收材料，则可使它们更灵敏、更准确地发现敌方目标；在雷达抛物线天线开口的四周壁上涂复吸收材料，可减少副瓣对主瓣的干扰和增大发射天线的作用距离，对接收天线则起到降低假目标反射的干扰作用；在卫星通信系统中应用吸收材料，将避免通信线路间的干扰，改善星载通信机和地面站的灵敏度，从而提高通信质量。（3）RFID天线抗金属隔离应用此应用主要是利用一类高磁道率，低损耗型吸波材料的高磁道率特性；使用时，将吸波片插入13.56MHz回形天线和金属基板之间,增加感生磁场通过吸波材料本身，减少通过金属板的几率，从而减少感生涡流在金属板中产生，进而减少感生磁场的损耗，同时，因为吸波片的插入，实测的寄生电容也会减少，频率偏移减少，与读卡器的共振频率相一致，从而改善读卡距离，当然改善程度取决于吸波材料特性的优良程度。新型人工电磁材料这一领域从建立至今在短短十年的时间里取得了数量惊人的成果吸引了世界范围内各个学科研究人员的兴趣。目前新型人工电磁材料已经成为一门交叉性很强的学科其研究内容涵盖了电磁学、纳米学、化学、光学、声学、半导体等诸多方向。在过去的几年中对新型人工电磁材料的研究在实验室里获得了突破性的进展，光学变换的提出结合对人工电磁材料结构的快速设计，使人们可以按照自己的意愿自由控制电磁波和光波的传播和分布使许多以前不能实现的事物成为了可能。