可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势*

0 引 言

在现代战争中，隐身是至关重要的关键技术，其目的是降低目标和背景的差别，减小对目标的可探测性。传统的隐身材料常常存在着重量较重、吸收频带窄、吸收效率低等问题，而且是被动吸收，使用性能固定不变，不具备主动功能，无法满足当下在军事装备系统、航天航空系统等领域对隐身功能的需求[1]。

随着高技术的快速发展以及军事竞争的日益激烈，对电磁参数可控的智能系统产生了迫切需求，智能隐身材料在此背景下应时而生[1]。智能隐身材料与常规隐身材料相比，可自动调节电磁性能，并且在传感、信息处理、执行等方面较常规隐身材料有优越的能力，对电子通信业和军事行业等都将产生重要的影响，为提高军事武器装备的伪装掩护技术提供重要的发展途径和趋势。

1 可调谐超材料吸波体概述

吸波作为隐身材料功能实现的主要技术途径之一，是将投射到它表面的电磁波通过吸收等方式损耗掉，达到隐身的目的。电磁超材料具有完美的吸波特性是在2008年Landy[2]首次提出，作为一种介电常数和磁导率同时为负的人工周期结构材料[3]，其属性可以控制，来实现在某一频点或者频段内对入射电磁波既不反射也不透射，达到100%的完美吸收。由于超材料具有完美的吸波特性，经过10多年的发展，在隐身、通信、新材料、电磁安全防护等领域获得了巨大的突破[4]。

目前，大部分的超材料吸波体对电磁波的吸收仍然属于被动式，都是通过谐振单元周期排列在固体材料上制备而成。一旦制备成型，其结构、单元尺寸、分布形式等便被固定下来，导致谐振频率、谐振强度等参数被限定，吸波特性便无法再改变，缺乏适应性和可调谐性，难以满足智能隐身系统及复杂多变的电磁环境的要求。为拓宽超材料吸波体的应用范围，可调谐超材料吸波体成为当前主要的研究方向之一，其吸波特性可随着某一环境或条件的变化实现智能可控，成为发展智能隐身蒙皮的关键途径和技术。超材料结构根据材料构成可分为两大类：金属谐振型和电介质型。金属谐振型的可调谐吸波体，主要通过以下两种方式实现吸波特性的可调谐[5]：(1) 通过外部环境对超材料吸波体的控制，改变某种材质的电磁参数特性；(2) 通过引入元器件、特殊材料或自身的物理改变，控制超材料等效电路的结构、尺寸、谐振模式等。电介质型超材料吸波体更多的是通过结构尺寸的改变，调谐吸波性能。本文总结了近几年在超材料吸波体可调谐方面的研究情况，并对概述了未来的发展趋势。

2 超材料吸波体调控方式研究

2.1 电磁参数的调控

超材料吸波体的结构一般由超材料层、介质层、金属板接地层组成，如图1所示，其中超材料层常用良导体作为图形化研究的材质，通过超材料的图形刻蚀，实现介电常数和磁导率可控，实现完美吸波。因此，通过对介电常数和磁导率这两种电磁参数的调节，可实现对超材料吸波体吸波特性的调谐。

2.1.1 介电常数的调控

该种调谐方式是基于对介质层的相对介电常数的改变，常引入对场强、光强、温度等信号敏感的特殊材料，通过外部条件的控制，在一定的电场强度或温度范围内可以改变介质的介电常数，使得电磁波在介质中的损耗情况随之发生变化，从而可以调谐谐振频率的大小和谐振强度的高低。

图1 超材料吸波体单元结构

Fig 1 Unit cell of the metamaterial absorber structure

程伟[6]采用双开口谐振环结构，如图2所示，利用温度敏感材料锑化铟(InSb)作为介质层(深色部分为介质层)。

图2 InSb超材料吸波体单元结构

Fig 2 Unit cell of the InSb metamaterial absorber structure

InSb的介电常数受温度的控制，可表示为

(1)

N=5.76×1020T3/2e-0.26/(2KBT)

(2)

其中，ε∞为高频极限介电常数，N是本征载流子密度，e是电子电量，m*是自由载流子的有效质量，γ是能量损耗的衰减系数，KB是玻尔兹曼常数，T是温度(单位为开尔文)，锑化铟相对介电常数与温度呈反比关系。

超材料吸波体的结构单元可用等效的LC谐振电路模型描述，其谐振频率由等效电感与等效电容决定，在该开口谐振环结构中，等效电感L和等效电容C可由下式表示

(3)

(4)

其中，μ0为真空磁导率，ε0为真空介电常数，ε为介质锑化铟的相对介电常数，d为开口谐振环的边长，t为开口谐振环的厚度，l为开口的边长，g为开口间距。由式(1)～(4)可知，随着温度的升高，谐振频率向高频方向移动。

王连胜等[7]利用电流变液的相对介电常数随施加的电场强度变化而改变的特殊性质，研究了KNbO3-硅油和SrTiO3-硅油两种电流变液的调控性能。结构示意图如图3所示，金属ERR层包裹在电流变液层中。谐振频率满足如下公式

(5)

其中，c为真空中光速，L为金属ERR边长，ε为ERR附近的等效介电常数。

图3 电流变液超材料吸波体结构

Fig 3 Electrorheological fluid metamaterial absorber structure

在一定的电场强度范围内，电流变液的介电常数是随着场强的增强而增大，谐振频率向低频方向移动，调节率为40%左右，且吸收率逐渐增高。

在上述的调控方式中，通过外部环境控制介质层的相对介电常数值，使电磁波在介质中的损耗随着数值的变化而变化，从而影响吸波体对电磁波的吸收率。其中，随着介电常数升高，谐振频率向低频方向移动，介电常数降低，谐振频率向高频方向移动。

2.1.2 电导率的调控

该调控方式是基于对超材料层的电导率的改变，引入电导率可控的物质。由于该方法改变的是超材料层的电导率，引起的只是阻抗匹配条件的变化，故只能达到对谐振强度的调谐。

王连胜[8]、莫漫漫[9]等均中利用二氧化钒(VO2)薄膜的绝缘-金属相变特性[10]，其电导率和温度的关系如表1所示，在68 ℃左右时，产生绝缘态-金属态的相变，通过外部温控的方式，对电导率实施调控，进而调谐超材料吸波体的吸波特性。

表1 VO2薄膜电导率与温度的关系

Table 1 The relationship between VO2 film conductivity and temperature

王连胜等[8]将VO2作为超材料层，从上到下依次是圆环状VO2薄膜层、FR4介质层、金属铜板层，示意图如图4所示。随着温度从40～80 ℃的增加，VO2超材料层从绝缘态到金属态，吸收率随之提高，在80℃达到最大值，而谐振频率不发生移动。莫漫漫[9]将VO2薄膜覆盖在介质层上，如图5所示，随着温度的增加，VO2介质层从绝缘态到金属态，吸收率降低，如图6所示。

图4 VO2超材料吸波体单元结构

Fig 4 Unit cell of the VO2 metamaterial absorber structure

石墨烯以其优异的高导电性、高导热性、高稳定性及高强度、高硬度等性能，近年来成为研究热点之一，国内外对于石墨烯可调谐超材料的研究也都取得了一定的进展。石墨烯的导电率会随费米能级和工作频率的变化而变化，关系如下式所示[11]

σ(ω，EF，Γ,T)=σintrs(ω，EF，Γ,T)+σinter(ω，EF，Γ,T)

(6)

其中，ω 为角频率，EF为化学势，Г 为现象学散射率，T为环境的绝对温度，e为一个电子的带电量，ħ=h/2π为狄拉克常数(h为普朗克常数)，fd(ε)为费米-狄拉克方程分布。

图5 VO2超材料吸波体侧剖面结构

Fig 5 Side section of the VO2 metamaterial absorber structure

图6 不同温度下的吸收率曲线

Fig 6 Absorption curve at different temperature

石墨烯的费米能级EF与外加在石墨烯上的偏置电压Vg的关系如下式所示

EF=ћ

(7)

其中，VF为费米速度，a为单位面积的SiO2氧化物的电容。

上述的关系式看出，可以通过金属电极和金属背栅之间的外加电压来改变石墨烯的电导率，实现谐振频率和幅度的动态调控。Zhang等[12]、Deng等[13]利用石墨烯替代图5中的VO2结构，Zhu等[14]用石墨烯替代超材料层的金属结构。Borislav Vasi等[15]、Ding等[16]中也是调节石墨烯的外加电压，实现可调谐的效果。

利用电磁参数调谐超材料吸波体，主要是针对超材料层和介质层的关键电磁参数进行研究。引入特殊材料，通过外部条件控制材料属性，改变吸波体的电磁参数。其调谐方式较为简单方便，调谐曲线是连续变化，可构成一些列的调谐结果，但由于是受到外部环境的控制，且特殊材料的属性随环境的变化率规律性较差，导致调谐的精准度较低。利用石墨烯进行超材料吸波特性的调谐效果较好，研究主要集中在太赫兹和更高频率的红外和光波频段[17-20]，但石墨烯的制备工艺、过程复杂，理论研究较多，实际实现较少。

2.2 等效电路的调控

超材料吸波体能够吸收电磁波需满足2个条件：(1) 进入材料内部的电磁波能够被损耗掉，即衰减特性；(2) 电磁波能够最大程度的进入到材料内部，即阻抗匹配。因此，除了可通过电磁参数改变衰减特性来调谐外，还可通过超材料结构与空气的阻抗匹配程度调谐。以下针对超材料结构单元的等效电路的结构、尺寸、谐振模式等方面对超材料吸波体的调控方式进行详细阐述。

2.2.1 电路结构的调控

利用外部装置控制特殊材料，使单元结构的超材料层的LC等效电路图结构发生变化，从而影响谐振频率，就可实现超材料吸波体吸波特性的可调。

程伟[6] 、Zhang等[21]将光敏感半导体硅嵌入到金属开口谐振内环的开口处，如图7中的黑色区域，来实现吸波特性的可调。采用外部泵浦激光对Si的电导率进行控制，使外侧的两个开口表现为截止或导通的状态，等效电路图如图8所示，无泵浦光时的谐振频率fa和有泵浦光时的谐振频率fb分别可以表示为

(8)

(9)

从式(6)和(7)可得，fa>fb，即Si在不同的电导率下，实现了超材料吸波体谐振频率的调谐。吸收率曲线如图9所示，可调谐范围高达0.565 THz。

图7 半导体Si超材料吸波体单元结构

Fig 7 Unit cell of the semiconductor Si metamaterial absorber structure

图8 等效电路图

Fig 8 Equivalent circuit diagram

李珍珍等[22]将半导体硅圆环嵌入到超材料吸波体结构的金属双环之间，通过改变半导体硅的电导率，内、外金属环的关系在“断路”和“短路”之间变化，结构在“双环”和“单环”之间变化，谐振频点在双频点和单频点之间变化，实现吸收曲线的双峰值和单峰值的变化，谐振频率实现可调谐。

图9 不同电导率下的吸收率曲线

Fig 9 Absorption curve at different conductivity

在上述对单元结构等效电路的调控方式中，主要是利用特殊材料自身属性的变化来改变电路结构。虽然材料属性连续变化的规律性依然较差，但由于等效电路可变化结构的种类数是离散量，因此调谐的准确度高，调谐结果非连续。

2.2.2 电路尺寸的调控

通常是直接采用拉伸、扭曲等物理方式来达到对吸波特性的调谐，在实际的样品制备和实现调谐性能的过程中，须采用可形变的柔性材料和提供外力的机械装置。

Zhai等[23]利用闭合的金属谐振环结构和“T”型结构构成超材料吸波体，介质基底为FR-4，其俯视结构示意图如图10所示。根据超材料理论，闭合环结构和“T”型结构的间距越大，电磁耦合越小，即谐振频率随间距e1的增大而减小。在单波段结构的基础上还设计出双波段超材料吸波体，其调控方式、可调谐性均与单频吸波体一致。利用HFSS软件的仿真研究与理论分析的结果一致。

图10 单波段吸波体单元结构

Fig 10 The physical structure of the single-band absorber cell

Pryce等[24]利用聚二甲基硅氧烷作为柔性基底材料，形变率可达50%，谐振频率会出现明显的蓝移，但由于产生形变后无法恢复，对吸波特性的影响是不可逆转的[25]。在此基础上，Lee等[26]对柔性基底先进行了拉伸处理，使形变可逆，但因形变对超材料层图形结构产生的影响，使得吸波体的品质因数较低。Li等[27]将柔性基底和可重构的“I”形结构金属周期阵列结合，构成谐振单元。当受机械装置拉伸时，周期性结构的间距增大，耦合减弱，谐振频率减小，实现对吸波特性的调谐。

调控超材料物理尺寸的方式，无需改变原有超材料的单元结构或者施加外场激励，具有简单易行、调控频段宽、规律性好、成本低廉等优势。超材料吸波体尺寸的变化程度是由外部机械力控制的，其变化是否均匀精确受到控制系统的影响，因此外部控制系统的设计对实现超材料吸波体的可调谐性是非常重要的。

2.2.3 电路谐振模式的调控

Zhu等[28]通过外部施加的偏置电压的方向，改变微波二极管有源元件的工作状态，调控电路的谐振模式。通过微波二极管耦合两个单极化ELC谐振器，如图11所示，当施加反向偏置电压时，二极管是截止状态，该单元结构即由上下两个普通的ELCs构成，为LC谐振模式；当施加正向偏置电压时，二极管是导通状态，处于偶极谐振模式。两种状态改变了超材料的耦合特性，进而影响了超材料的吸收性能，表面电流分布状态如图12所示。吸波特性的变化为非连续，只实现了高低两个频点的谐振，准确度较高，而谐振强度不变。

图11 超材料吸波体结构示意图

Fig 11 Schematic diagram of metamaterial absorber structure

图12 表面电流分布图

Fig 12 The distributions of surface current

Bakir等[29]连续改变二极管偏置电压强度的大小，可实现谐振频率的连续变化，吸波特性为连续性可调谐。

樊京等[30]设计的双开口谐振环(DSRR)的单元示意图如图13所示，当电场方向与开口方向平行，磁谐振和电谐振的谐振强度为最大值，当DSRR沿磁场方向旋转，磁谐振和电谐振的强度随着旋转度数的增大而降低。如图14所示，两个谐振频点的吸收率逐渐减小，当旋转角度>60°时，电谐振强度基本减小为零，双谐振点变为单谐振点。通过对双开口谐振环(DSRR)超材料吸波体简单的物理旋转，无需引入其它材料，实现了在谐振频率处谐振强度的连续性可调，简化了调谐方式，方便易行。

3 电介质型调控方式研究

目前已取得的可调谐超材料吸波体研究成果多以二维的金属谐振型为主，这些结构虽然获得了超常规物理性能以及可调控性，但往往存在各向异性、极化敏感、工作频带窄，在红外、光子频段下复杂的微米或纳米级几何结构制备比较困难等问题，因此越来越多的研究者将目光转向电介质型超材料。电介质型超材料的结构非常简单，且三维结构改善了二维吸波体在极高频段下尺寸极小和损耗大的问题，调谐方式简易方便。

图13 DSRR单元结构

Fig 13 Unit cell of the DSRR

图14 不同旋转角度下的透射系数曲线

Fig 14 Transmission curve at different rotational angle

Zhao[31]等通过将Ba0.5Sr0.5TiO3(BST)绝缘陶瓷材料切削加工成块状，Peng[32]加工成条状，将其阵列排布于介质基底上，如图15所示，实现了具有负折射效应的三维全介质超材料，通过BST边长尺寸控制负磁导率，其关系如式(10)～(13)，从而控制电磁波的传播，实现对吸波的可调谐

(10)

(11)

(12)

(13)

其中，r为颗粒半径，a为晶格常数，k0为自由空间的波数，εp为自由空间相对介电常数。

胡帆华[33]等设计出一种新型三维被动式可调谐性太赫兹超材料，是在柔性衬底上将二维平面的数组SRR超材料卷起形成三维超材料管。随着超材料管直径的减小，吸波频段会产生蓝移，实现可调谐性。Tetsuo Kan[34]等设计了一种左右手转化三维螺旋超材料，通过控制形变方向调节材料的左右手属性，为太赫兹波段提供了一种紧凑型偏振调制器。

图15 陶瓷超材料单元和嵌入基底的全介质超材料阵列结构

Fig 15 Photograph of ceramic metamaterial unit and photograph of whole media metamaterial array structure embedded in substrate

4 可调谐超材料的发展趋势

目前，由于智能化的发展给隐身材料带来了前所未有的机遇，可调谐吸波超材料作为智能隐身蒙皮的关键技术，越来越受到多方的关注和重视，对可调谐超材料的研究也取得了一定的进展，未来可调谐超材料吸波体的研究发展趋势主要为：

(1) 研究易于与智能系统集成的超材料吸波体。吸波体除自己须有较好的吸波性能和可调谐性能外，还须易于集成及调控方式的可实现。

(2) 研究调谐性能好的超材料吸波体。即在吸波性好的基础上，具有可调谐频带宽，可调谐范围广，且调谐精确度高，调控手段方便等优势。

(3) 研究先进的加工手段，制备灵敏度高、寿命长、耐久性好的可调谐超材料吸波体。

(4) 研究开发新型可调谐超材料吸波体。利用新材料、新技术、新手段等积极研发调谐性能好，调控手段简便的新型吸波材料。

5 结 语

可调谐超材料吸波体实现了在不同环境条件下吸波特性可调的主动式吸波，相比传统吸波超材料，能随着复杂背景的变化而变化，推动了智能隐身材料的发展，为武器装备的智能化隐身化提供了重要的实现途径。通过对近些年来可调谐超材料吸波体的发展情况的综述，可以看出超材料吸波体在智能化、可调控方向上取得了一定的进展，在其性能随着今后进一步的研究，也必将得到提高，其应用也将越来越广泛，对提高国防军事实力，促进科技实力的发展等都有着重要的意义，有着十分广阔的应用前景。

随着今后对超材料吸波体进一步的研究，除在可调谐方向外，还主要集中在多频带吸波[35-36]、红外吸波[37-38]、超薄结构设计[39]、极化不敏感[40-41]以及宽入射角[42-43]等方面。