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1、 Application of Metamaterials in Radar Stealth Technology Yongqiang PANG, Haifeng CHENG, Yongjiang ZHOU, Jun WANG College of Aerospace and Materials Engineering, National University of Defense Technology, Changsha, China, 410073 Email: Abstract: Metamaterials (MMs) have become generally acknowledge
2、d as an area of particularly interesting importance in electromagnetic because of their unique electromagnetic performances and have great applica- tion values in radar stealth technology specially. By varying the inclusions and it is possible to enhance ab- sorption properties for the conventional
3、absorbers or offer a new design dimension. In this paper, high-impedance surfaces, having high potential of application in military stealth technology, were proposed. The working mechanism and possibilities of improving the absorption properties were mainly studied and then demonstrated by both simu
4、lated and experimental results. In the end, the future trends of MM absorbers were given. Keywords: metamaterial; stealth technology; wideband; ultra-thin 人工电磁材料在隐身技术中的应用人工电磁材料在隐身技术中的应用 庞永强，程海峰，周永江，王军庞永强，程海峰，周永江，王军 国防科技大学，航天与材料工程学院，新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室，长沙，中国，410073 Email: 摘摘 要：要：新型人工电磁材料由基本结构单元按照一
5、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：关键词：人工电磁材料；隐身技术；宽带；超薄
6、1 引言引言 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1。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。 由于具有周期排布的人工 电磁材料易于设计和加工，目前绝大部分研究集中于 此，因而本文提到的人工电磁材料都是基于周期结构 的。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2-9。 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
7、的应用研究是目前微波频段的重要方向之一。 2006 年，JPendry 等指出10，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11，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12制备 出了由非谐振单元构成的隐身斗篷，可以在 1316GHz 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，由成千上万个 基本机构
8、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。因此，本Proceedings of 2011 China Functional Materials Technology and Industry Forum (CFMTIF 2011)978-1-935068-99-0 2011 SciRes.658文主要介绍基于高阻抗表面吸波材料的研究情况， 并提 出目前存在的问题以及今后的发展方向。 2 人工电磁结构雷达吸波材料人工电磁结构雷达吸波材料 传统的吸波材料大多是基于 Salisbury 吸波体，它 是将损耗电阻
9、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，图 1 是其基本组成结构。 Figure 1. Configuration of absorbers based on high-impedance surfaces 图图 1. 基于高阻抗表面
10、的吸波材料组成结构基于高阻抗表面的吸波材料组成结构 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13,14，如图 2 所示。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。 Figure 2. Impedance of the substrate and FSS 图图 2. 基体和频率选择表面的阻抗特性基体和频率选择表面的阻抗特性 如果工作频率
11、位于小于基体 1/4 波长的频带内， 即图 2 中的低于 1/4 波长频率的左边，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。 图 3 是一种制备的宽带型吸波材料的实物照片及 其反射率曲线。频率选择表面采用简单的方块周期阵 列（下同），利用丝网印刷方法印制在基体表面，方 阻大小可以通过改变碳浆的掺杂量调控，基体材料为 玻璃纤维增强环氧树脂的复合材料，介电常数约为 4.1，吸波材料总厚度为 3.0mm。由反射率曲线可见， 测试结果与计算结果吻合的较好，这说明新型人工电 磁结构吸波材料具有较
12、好的可设计性。 Figure 3. Reflectivity of one absorber with wideband absorption performance 图图 3. 一种宽带型吸波吸波材料的反射率曲线一种宽带型吸波吸波材料的反射率曲线 同时，研究了频率选择表面方阻取值对吸波性能 的影响。通过传输线理论分析表明，对于给定吸波结 构及其反射率阈值，频率选择表面方阻的取值必须满 足一定的范围，其上下限为15： 0 min0 01 1RZ (1) 0 max0 01 1RZ (2) 利用数值仿真方法计算了基体厚度为 3.0mm、介 电常数为 3.0 的人工电磁结构吸波材料，频率选择表 面
13、的方阻取值从 20ohm/sq 变化到 350ohm/sq，仿真结 果如图 4（a）所示。另外，通过控制碳浆掺杂量印制 了方阻分别为 20、55 和 220ohm/sq 的频率选择表面， 测试结果如图 4（b）所示，其中，基体为 2.7mm 厚的 玻璃纤维增强环氧树脂的复合材料。 从图 4 可以看出， 方阻上下限（1）和（2）可很好的预测频率选择表面 的方阻取值范围，可快速有效指导人工电磁结构吸波 材料的设计与优化。 Proceedings of 2011 China Functional Materials Technology and Industry Forum (CFMTIF 2011
14、)978-1-935068-99-0 2011 SciRes.659(a) (b) Figure 4. Reflectivity of absorbers with varied FSS surface resistance. (a) Simulated, and (b) experimental 图图 4. 频率选择表面方阻对吸波性能的影响 （频率选择表面方阻对吸波性能的影响 （a： 数值仿真结 果，： 数值仿真结 果，b：实验结果）：实验结果） 另外，从图 4（a）可以看到，在频率选择表面方 阻变化较小的情况下 （如图中 75120ohm/sq 的情况） ， 其吸波性能带宽变化很小，这就说
15、明人工电磁结构吸 波材料对方阻变化具有较好的稳定性。对于含碳类材 料的导电性能随着温度的升高逐渐增强， 即PTC效应， 若采用这类人工电磁结构作为吸波材料的基本结构， 则可有效提高吸波材料的温度稳定性。因此，这类吸 波材料在耐高温吸波材料中也有较大的应用潜力。 Figure 5. Typical reflectivity of the ultrathin absorber 图图 5. 超薄型吸波材料的典型反射率超薄型吸波材料的典型反射率 图 5 是一种超薄型吸波材料的典型反射率，材料 的总厚度仅为 0.8mm。由图可见，这类吸波材料是一 种窄带型吸波材料，因而如何有效扩展其吸收带宽是 目前亟待
16、解决的问题。通过等效电路模型和阻抗匹配 的观点，指出采用具有频散特性的磁性基体可有效提 高其吸收带宽，基本结论如下： 0224cYdCf （3） 02000max8 1d （4） 其中，式（3）是基体磁导率关于工作频率的理想 频散关系， 式 （4） 是带宽极限关于基体磁导率的关系。 图 6 是基于不同频散特性基体的吸波材料优化反射率 曲线，基体的厚度为 0.8mm，图中样品编号越大，表 示磁导率的频散行为越强烈。由图可见，数值仿真结 果与上述的理论分析一致。 Figure 6. Reflectivity of ultrathin absorbers with different frequency dispersive behaviors 图图 6. 磁导率频散特性对超薄型吸波材料吸收带宽的影响磁导率频散特性对超薄型吸波材料吸收带宽的影响 目前国内外大部分工作都集中于
