電磁超材料在微波吸波材料中的應用探索

馮一軍，朱 博，徐培華，趙俊明，姜 田

(南京大學電子科學與工程學院，江蘇南京210093)

1 前言

人工電磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)，代表一類介電常數和磁導率可人為控制、各參量可正可負的新型人工復合電磁材料。一般情況下，超材料的電磁參數呈現出各向異性的特征，而左手材料則是其中一種各向同性的特例。電磁超材料具有自然界中原有材料所不具備的獨特性質，其中出現了許多全新的物理現象[1－7]，特別值得指出，近來利用人工電磁材料的獨特電磁性質設計電磁波完美吸波材料(Perfect Absorber)成為電磁超材料研究中的另一個熱點。深入研究電磁超材料的物理學基礎和電磁學基礎可大大拓展與深化人類對客觀世界的認識，對于揭示出自然界基本規律具有根本性意義。同時，超材料突破并拓寬了自然界現有材料的電磁性質，其獨特性質能夠有效地提高電磁器件的性能，甚至有可能設計出具突破性的新型器件，有望給信息、軍事等行業帶來重要變革。電磁超材料已經成為凝聚態物理、電磁學、光學和材料科學等領域的研究熱點。

本文首先簡要分析了人工電磁超材料的目前研究水平和發展趨勢，進而介紹了一系列運用人工電磁超材料的微波吸波材料與結構，包括全極化電磁波吸波結構設計、基于手征超材料結構的微波吸波材料結構、頻譜可調節電磁波吸波結構、反射吸收可切換的微波吸波結構等。這些器件運用人工超材料的特殊物理特性和參數可設計性，具有全新的功能和優勢，有效提高了對電磁波的調控能力，具有實際應用前景。

2 人工電磁超材料的發展概況

2.1 國外超材料研究水平和發展趨勢

超材料的概念最早由俄國科學家V.G.Veselago在1968年提出[1]。2001年，美國加州大學圣地亞哥分校的D.R.Smith教授等人根據英國科學家Pendry等人的建議，利用以銅和介質為主的復合材料首次在微波波段實現了具有等效負介電常數、負磁導率的物質，并在實驗上證實了其具有雙負參量的左手材料性質[2]，從而引發了以左手材料為代表的超材料研究熱潮[3]。

超材料具有許多與通常的電磁材料完全不同的奇特性質。首先，雙負等效電磁參量導致電磁波在其中傳播時，電場和磁場與電磁波波矢量的方向三者滿足左手法則(常規電磁介質中三者滿足右手法則);因此電磁波能流方向與電磁波傳播方向反向平行，電磁波的群速度方向與相速度方向相反，從而具有反向波(Backward Wave)的特性，由此會產生反向的多普勒(Doppler)效應和反向的Cherenkov效應[7]。其次，雙負等效電磁參量還將導致負的折射率，形成負折射特性，這是與我們熟知的折射完全相反的奇特現象。2001年圣地亞哥分校小組首先在實驗上驗證了微波頻段的負折射現象[2]，從而被美國《科學》周刊評選為2003年世界十大科學成就之一[8]。基于負電磁參數的性質，J.B.Pendry還提出了由此可構成“理想透鏡”(Perfect Lens)，它可以突破傳統透鏡的衍射極限(Diffraction Limit)，對電磁波近場進行成像，從而獲得遠小于波長的超分辨率[4]。

電磁超材料之所以具有如此多的獨特性質，在于其電磁參量(介電常數和磁導率)突破了傳統材料的局限，兩者均可人工設計和調控。左手材料或電磁超材料的工作頻率與其諧振單元的尺寸相關，目前左手材料或電磁特異材料的制備方法日趨成熟，人們已經設計并制備出了微波段[2]、毫米波段[9]、太赫茲[10]、紅外[11]的左手材料或電磁特異材料。最近，美國加州大學伯克萊分校的張翔教授領導的小組成功制備了可見光光波段的三維超材料，實現了可見光的負折射[12－13]，為超材料的光學應用奠定了基礎，引起了全球科學界的關注。

2.2 超材料實現雷達波吸波和隱身

左手材料出現后，許多學者都提出了左手材料的獨特電磁性質可以應用于電磁波吸收材料和結構，實現金屬目標的隱身。例如，美國賓西法尼亞大學的N.Engheta教授就提出了利用左手材料的負電磁參數構造高阻抗表面，從而實現薄板電磁波吸波結構[5];又如，利用左手材料中的電磁諧振結構，對其電磁參數進行可控設計，可針對特定頻段實現吸波，材料厚度只有二十分之一波長[14]，等等。左手材料或電磁超材料具有較大的損耗，其電磁參量可以用復介電常數和復磁導率來描述。通常情況下，人們在利用這種材料時希望減小其材料損耗對應用的影響，因此絕大多數研究都著眼于如何減小左手材料或電磁超材料的損耗。然而N.I.Landy等人提出了利用電磁超材料實現電磁波完美吸波材料或結構的新概念，充分利用了電磁超材料的強諧振損耗性質[6]。通過合理設計超材料電磁參數，使它的波阻抗與空氣匹配，同時利用電磁特異材料的諧振損耗實現完美吸波。他們所設計制備的特異材料吸波結構，理論上可實現100%吸波，經實驗驗證，在11.5 GHz單層材料(約0.8 mm厚)微波吸收率達88%。

超材料一般是基于電磁諧振的結構，這一點十分類似于納米磁性薄膜吸收劑中的磁諧振，但其優勢在于:其既有磁諧振又有電諧振，兩者可以獨立設計，從而可以實現阻抗匹配。電磁諧振的結構必然導致其電磁參數存在強色散特性，因此只在一個較窄的頻段內表現出理想吸波特性，所以超材料構成的吸波材料或結構是一種窄帶吸波結構。這種窄帶吸波結構可以用于解決吸波材料的低頻問題，屏蔽或吸收特定通信或雷達探測頻段的信號，適用于針對特定頻率雷達的隱身、特定雷達罩結構、抗電磁干擾、信息安全等應用場合。

2006年，英美科學家又提出了基于超材料的電磁隱身技術新概念(Electromagnetic Cloaking，電磁隱身衣結構)。基于電磁波傳播的Maxwell方程的空間坐標變換不變性，通過空間變換設計電磁材料參數，實現電磁波在人工電磁材料中傳播路徑的彎曲[15]。應用這一理論合理設計人工電磁材料的電磁參數，可使入射電磁波完全在覆蓋于目標外的人工電磁超材料中繞射傳播，從而實現目標的完全隱身。隨后，美國科學家在實驗上完全驗證了電磁波彎曲繞射傳播新概念，實現了微波頻段的金屬目標隱身[16]。以新型人工電磁材料為基礎的新概念電磁波隱身理論和實驗驗證再次被美國《科學》雜志(2006年12月22號)評為2006年的十大科技突破之一[17]。這種隱身技術新概念與運用吸波材料實現隱身的概念不同，它不是將雷達波能量通過材料吸收，而是通過設計特定人工電磁材料使雷達波繞過武器目標，而不產生回波。

2.3 美歐軍事強國重視和支持超材料研究

電磁超材料是對傳統電磁材料的拓展和突破，它所具有的奇特性質，如反向波特性、負折射特性、諧振吸波特性等，是對傳統電磁現象的突破，可以據此設計出高性能、新型電子材料和器件。隨著大量研究工作的不斷深入，人們對這種新材料的理論、特性和應用前景逐漸清晰。

目前，國際上對超材料研究十分重視，美歐軍事強國也十分關注其可能形成的重要軍事應用價值，積極組織力量開展這方面的研究工作，并不斷取得突破。早在2000年底，美國國防部“國防高級研究計劃署”－DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)就專門啟動了關于超材料的研究計劃[18]，旨在聯合美國大學和研究機構的研究優勢對超材料進行攻關;歐美國家的研究機構與政府均已看到了這種新型人工電磁材料的技術、產業、國防應用潛力，高度重視其研究和開發。如歐共體聯合協調項目METAMORPHOSE(MetaMaterials Organized for Radio，Millimeter Wave，and Photonic Superlattice Engineering)，由24個歐洲大學參與研究新型超電磁材料，目前已經轉入第二階段[19]。

美國軍方和各大基金會(如美國國防部“國防高級研究計劃署”DARPA、海軍研究辦公室ONR、空軍科學研究辦公室AFSOR、自然科學基金會NSF等)都已開始大力支持新型超材料的研究。法國、德國、意大利、西班牙、日本、新加坡等國，在該研究方面也都投入了許多研究經費。

目前，美歐軍方看好超材料有可能在隱身技術、武器裝備中微波器件小型化和小型高效天線上實現的突破，這對提高通信和電子戰能力尤為重要，因此積極支持超材料相關的基礎和預研研究。

3 電磁超材料在微波吸波材料中的應用

本節重點圍繞我們近年來在超材料研究上的進展，介紹全極化電磁波吸波結構、基于手征超材料結構的微波吸波材料結構、頻譜可調節電磁波吸波結構、反射吸收可切換的微波吸波結構等的設計和性能分析。

3.1 全極化微波吸波結構

N.I.Landy等人首先提出了單極化的超材料吸波結構，但它不能對任意極化的電磁波有效吸收[6]。為了克服這一缺點，開展了能有效吸收任意極化電磁波的全極化超材料吸波結構研究，如圖1所示。單元結構正面是4個正交放置的電諧振器 (ELC)，背面是金屬結構，中間是介質基片。ELC與入射波電場分量發生強烈的耦合而與磁場分量耦合較弱，會在一定頻率上諧振，體現出等效的色散介電常數。穿過ELC和背面金屬結構之間介質部分的入射波磁場分量會在ELC和金屬結構上感應出方向相反的電流，使單元結構與入射場之間形成磁耦合和磁諧振，從而使單元結構體現出等效的色散磁導率。由于單元的等效介電常數和磁導率分別取決于ELC以及ELC與背面金屬結構之間的間隙，所以單獨調節ELC的尺寸和介質厚度就可以相對獨立的改變電諧振和磁諧振，從而調節等效介電常數和等效磁導率，實現單元的波阻抗與空氣基本匹配。并且電磁諧振將導致較大諧振損耗，形成較大的折射率虛部，達到同時減小結構對電磁波的透射系數和反射系數，實現吸波的目的[20]。

圖1 (a)單元結構的立體圖，(b)復合吸波結構實物照片Fig.1 (a)the unit-cell and(b)photo of the absorber

圖2 給出了垂直入射時的仿真及測量結果，在9.5 GHz可以觀察到92%的能量吸收峰，實驗和仿真數據吻合良好，由于該結構具有對稱性，因此對入射波極化方式不敏感。

圖2 仿真和測量得到的電磁波傳輸，反射和吸收系數Fig.2 Simulations and measurements of the transmission，reflection，and absorption

進一步研究了斜入射情況下樣品的吸波特性。圖3給出了TE波斜入射情況下的測量結果。對于TE波，正入射時吸收系數高于90%，隨著入射角度加大吸收強度逐漸下降，但60°的吸收系數仍大于73%。吸收峰的位置隨角度有0.05 GHz偏移。在這種人工結構中，電磁能量的吸收一部分來源于諧振時金屬上的歐姆損耗，在較大入射角度時，TE波磁場分量在吸波結構平面上的投影分量變小，使得金屬上的感應電流強度變小，進而歐姆損耗變小，吸波強度減弱。然而，從以上結果可以清楚地看出該吸波結構對小于60°角的入射波吸收性能良好。

圖3 不同角度斜入射下測量的吸收系數Fig.3 Measured absorption under different incident angles

3.2 基于手征超材料的電磁波吸波結構

手征材料(Chiral Material)具有電磁波吸波能力，但傳統手征材料的手征性和手征參量比較弱，難以實現良好的吸波性能。采用超材料設計思想，人工設計手征諧振單元結構，可實現強手征性，使超材料實現較大手征參量。可通過研究手征超材料的性質和設計方法，探索利用手征超材料實現電磁波吸波的新途徑。

在人工手征超材料的設計上，采用金屬磁性薄膜構成的螺旋形構造手征諧振結構單元，通過對該結構進行周期排列或隨機雜亂排列，形成了手征諧振型吸波平板結構。通過對手征超材料結構的電磁波仿真分析，發現其吸波性能與螺旋結構的半徑密切相關，隨著半徑的增加，吸波性能增強，同時吸波峰將向低頻移動，因此，可通過螺旋結構的半徑設計，調整吸波性能。

采用電子束蒸發沉積制備的磁性納米薄膜構造圓柱筒形螺旋結構，它方便制作，半徑和長度也易于掌控。將螺旋筒單元規則嵌入泡沫平板制備了手征超材料結構樣品，如圖4a所示。實際微波反射測量表明，該手征諧振結構平板具有明顯的寬帶吸波性能，如圖4b所示。通過測試對比，發現螺旋筒半徑對于工作頻點的調節作用比較明顯，半徑變大，工作頻點向低頻端移動，而螺旋筒長度參量對于工作頻點的影響則比較小，它對吸波性能的影響主要體現在吸收幅度上，當水平放置時長度變大，吸收幅度變大，而當垂直放置時長度變小則吸收幅度變大。

圖4 (a)螺旋手征超材料平板結構，(b)微波反射測試結果Fig.4 (a)spiral metamaterial board and(b)measured reflection data

3.3 可調節人工超材料電磁波吸波結構

由于人工超材料的吸波性能主要由其中的單元諧振結構決定，因此通過人為改變諧振結構就可以方便地實現吸波頻譜的有效調節。例如，在吸波結構中集成變容二極管等可調器件，可以制作出擁有新穎可調功能的吸波結構。

圖5a給出了一種頻譜響應可調節的超材料吸波結構單元，它由介質基板頂層的電諧振單元，介質基板以及介質基板背面的整塊金屬層構成，在電諧振單元中央的垂直導體上加載了微波變容管。當極化方向沿著中央導體方向的電磁波入射到單元時，單元的金屬結構上將產生誘導電流并輻射散射電磁場，以使總電磁場滿足單元的邊界條件。由于單元是遠小于工作波長的，我們可以使用電路概念分析單元的特性。電諧振單元的金屬部分可視為電感，當高頻電流流過時對其有阻抗作用。變容管可以用電阻和電容的串聯模型來表征，電阻反映了變容管自身的歐姆損耗，而電容則代表一定的直流偏置電壓下變容管的結電容。因此，頂層的電諧振單元是一個可調節的阻抗網絡。此外，頂層的電諧振單元和介質基板背面的金屬板構成了磁諧振器，可被磁場激勵而發生諧振。由于整個單元的尺度遠小于波長又同時具備電、磁諧振特性，所以具有色散的等效介電常數和磁導率。通過調節變容管的結電容，我們可以調節結構的這兩個等效參數，從而實現在不同頻率上單元結構的波阻抗與自由空間匹配，并達到吸波的目的。

根據仿真優化得到的模型尺寸參數，使用印刷電路板技術在0.8 mm厚的FR4介質板上制作了相應樣品。樣品的尺寸約為200 mm×200 mm(圖5b)。選用SKYWORKS出品的SMV1231－011變容管集成在單元中。樣品的仿真和測量結果如圖6所示。可見當偏置電壓增加時，因每個變容二極管的PN結寬度增加結電容變小，單元的頻率響應向高頻偏移，達到吸波頻率動態可調的目的。對應的吸收峰調節范圍為8.47～8.93 GHz。半功率吸收帶寬約為5%。隨著吸收峰的移動，吸收強度略有變化，其原因是當變容管電容值隨偏壓改變時，吸收峰頻率會發生移動而強度會有所改變。

圖5 (a)頻率可調超材料吸波結構單元，(b)樣品照片(X波段)Fig.5 (a)unit-cell of the tunable absorber and(b)sample photo(X band)

圖6 X波段頻譜響應可調節吸波結構的仿真和測量結果Fig.6 Simulation and measurement results of the tunable absorber in X band

3.4 雙頻段可切換人工電磁吸波結構

實際應用中，器件的動態可調性往往很重要。超材料吸波結構的特點是:其吸波性能由結構單元的諧振性質決定，因此，通過改變單元諧振性質或結構，可方便調節吸波響應頻譜。我們在超材料吸波結構中集成微波二極管，研究了雙頻段可切換的吸波結構。改變二極管的開關狀態，可使吸波性能在兩個頻帶上動態切換。

圖7給出了吸波頻帶可切換的人工電磁吸波結構，單元主要由兩個ELC吸波結構通過加載二極管耦合在一起。單元正面由兩個正方形ELC上下擺放構成，并在圖7中箭頭所示位置集成微波二極管形成耦合。單元背面是全金屬板，中間是介質層。與之前介紹的吸波結構不同，此設計中的ELC工作在偶極子諧振模式，而非LC諧振模式。偶極子諧振模式是周期排列ELC結構的高階模式，諧振頻率一般高于LC諧振模式。當入射波電場沿y軸極化時將激勵起ELC的偶極子模式，使之對入射波呈現出一定的諧振型等效介電常數。入射波磁場分量穿過ELC與背面金屬板，形成入射波與結構的磁耦合，結構呈現出一定的諧振型等效磁導率。

圖7 雙頻段可切換超材料吸波結構單元示意圖和樣品照片Fig.7 Unit-cell and the sample photo of the due-band switchable metamaterial absorber

當在結構中集成二極管時，相當于將二極管并聯在上下ELC之間的電容上，當二極管截止時可等效為并聯了結電容，因而會使得諧振吸波頻率降低。當二極管導通時，可等效為一個電感，使得諧振吸波頻率有所上升。所以控制二極管的開關狀態就可以實現吸波峰在兩個頻帶間切換。

圖8給出了雙頻帶吸波結構的仿真和測量結果。當二極管正向導通時，在2.94 GHz附近反射系數出現極小值，約為0.13左右;當二極管反向截止時，反射系數極小值移動到2.56 GHz左右，幅度約0.06。兩個工作頻率之差約0.38 GHz。

圖8 不同二極管偏壓下測量得到的反射系數和吸收率，以及仿真結果Fig.8 Simulations and measured reflection，absorption of the dueband switchable absorber

3.5 極化選擇反射和吸收切換

前述全極化吸波結構是由正交擺放對極化敏感的ELC諧振環來實現整個單元的極化不敏感性。諧振環對入射波中的正交分量是分別獨立工作的。因此以該設計為基礎，集成微波二極管，控制二極管的導通與截止狀態，可實現對相互正交的極化分量獨立控制吸波狀態的新穎功能[21－22]。

圖9a給出了設計的極化選擇吸收結構單元示意圖。單元由介質基片、頂層正交放置的ELC諧振環和底層的金屬背板構成。為了實現吸波性能動態可調，在兩金屬條之間的切口上集成連接微波二極管，如圖9b所示。A行和B行中的二極管連接至兩個獨立的偏置電路。

圖9 (a)極化選擇吸收結構示意圖，(b)樣品照片Fig.9 Schematic(a)and the sample photo(b)of the polarization selective metamaterial absorber

在ELC諧振時，二極管兩端連接的ELC電極上將積累異號電荷。通過改變二極管的導通狀態就可以控制電荷的中和程度，從而改變諧振強度，進而控制整個結構的吸波特性。如果將一個方向上的二極管導通，另一個方向上的二極管截止，則整個吸波結構就會對某種極化的入射波全部吸收，而對另一正交極化的入射波全反射，而對于除此以外其它極化方式的入射波則會部分吸收，使得反射波發生極化旋轉，從而實現具有極化選擇性的可控吸波。

圖10a是x極化波入射，A行二極管導通或截止對反射系數的控制。當二極管截止時，在3.3 GHz處有一強吸收峰，而當二極管導通時，吸收峰消失，結構體現全反射特性。對于y極化波入射，結構的響應是相似的，如圖10b所示。以上結果說明可以通過控制二極管的開關狀態，有選擇地吸收入射波中的正交極化分量。

圖10 不同二極管偏置狀態下x極化波(a)和y極化波(b)垂直入射時反射系數的仿真和測量結果Fig.10 Simulations and measurements of the reflection under normal incidence for(a)x－or(b)y－polarized waves

4 結語

本文介紹了作者課題組在運用人工電磁超材料設計研制微波吸波材料和結構方面的一些探索工作。應用人工超材料的特殊物理特性，可開發出一系列電磁波調控新器件，進而發展了電磁波操控的新方法，這些成果都具有實際應用的前景。

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