吸波材料是能有效吸收入射電磁波、降低目標回波強度的一類功能材料。傳統(tǒng)的吸波材料大多是基于Salisbury吸收屏原理設(shè)計，其典型不足是體積過大。隨著通信、隱身等領(lǐng)域?qū)ξú牧闲阅芤笤絹碓礁?，傳統(tǒng)吸波材料已不能滿足民用、尤其是軍事應用需求。因此，研制更薄、更輕、頻帶更寬的新型吸波材料已成為當前的緊迫課題。

超材料（Metamaterial，MTM）是近年來電磁領(lǐng)域的研究熱點之一，其特點是具有亞波長的周期性單元結(jié)構(gòu)。該單元結(jié)構(gòu)如同傳統(tǒng)材料的原子和分子，通過空間組合，可表現(xiàn)出新的電磁特性和功能。超材料的研究經(jīng)歷了電磁帶隙結(jié)構(gòu)（Eleetromagnetie Band Gap，EBG）、左手材料（Left Hand Material，LHM）和基于光學變換的異向介質(zhì)等發(fā)展歷程，其特性幾乎涵蓋電磁領(lǐng)域。研究表明，利用超材料的奇異電磁特性，不僅可改善天線和微波器件性能，研制新型設(shè)備，還可為新型吸波材料的研制提供新的技術(shù)手段。

綜述基于超材料的新型吸波材料及其在天線隱身應用方面的研究進展，對比分析各種吸波材料的特點，展望其在天線隱身領(lǐng)域的應用前景。

1、基于MTM的新型吸波材料

依據(jù)MTM的電磁特性，基于MTM的吸波材料，（Metamaterial Absorber，MA）可分為兩類：利用同相反射特性的吸波材料和利用媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的吸波材料。

1.1、同相反射特性吸波材料

同相反射特性吸波材料依據(jù)其同相反射特性角的不同，可分為吸波型吸波材料和干涉型吸波材料兩類。

1）吸波型吸波材料。該吸波材料包括兩部分：具有同相反射特性的MTM結(jié)構(gòu)層和損耗層。損耗層材料可以是傳統(tǒng)電損耗材料，也可以直接將集總電阻加載在貼片之間作為損耗層，選擇適當?shù)碾娮柚悼梢栽谝欢l段內(nèi)較好地吸收入射電磁波。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計依然是基于Salisbury屏原理，但由于MTM同相反射特性，不存在0.25 λ波長厚度限制，可以實現(xiàn)超薄特性。

2000年，N.Engheta等首次提出利用MTM同相反射特性實現(xiàn)超薄吸波材料的構(gòu)想?；谠摌?gòu)想.2005年，S.Simms等利用mushroom-like EBG結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超薄吸波結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將耗損層放置在離高阻表面很近的地方，從而實現(xiàn)一定頻帶內(nèi)的吸波作用。以此設(shè)計為基礎(chǔ)，Gao等進一步提出外加集總電阻構(gòu)成吸波結(jié)構(gòu)的方案，并給出反射系數(shù)和相位測試參數(shù)，如圖1，2所示。與Simms等提出的吸波結(jié)構(gòu)相比，Gao等人提出的吸波材料更薄、且結(jié)構(gòu)更為緊湊。

2）干涉型吸波材料。該吸波材料按電磁波相干涉原理設(shè)計。對于傳統(tǒng)干涉型吸波材料，當電磁波垂直入射到吸波材料表面時，一部分被反射出去，該反射波稱為第一反射波，其余透入材料，在自由空間與材料間界面以及材料與金屬界面之間來回反射。當電磁波每次返回自由空間與材料界面時，都有一部分穿出此界面返回自由空間，這部分波疊加后形成第二反射波。若兩種反射波處于同一偏振面且相位相差180。則發(fā)生干涉，導致總的反射波能量急劇衰減。該吸波材料的缺點是結(jié)構(gòu)較厚，吸收頻帶較窄。

2007年，Maurice Paquay等利用高阻EBG結(jié)構(gòu)的同相反射特性，設(shè)計了一種新型干涉型吸波材料，如圖3所示。該吸波材料利用具有完美磁導體（PMC）特性的高阻EBG結(jié)構(gòu)與完美良導體（PEC）結(jié)構(gòu)組成棋盤結(jié)構(gòu)。二者反射相位相差l80。其反射波相互干涉，使來波方向能量衰減，同時將后向散射能量轉(zhuǎn)移到其它角度，如圖4所示。鼻錐方向目標RCS可降低20 dB以上，-10 dB吸收帶寬為6.45 %，結(jié)構(gòu)厚為0.062 5 λ。針對該設(shè)計材料帶寬較窄問題，2009年Zhang等分別提出了利用兩種具有不同

1.2、媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料

基于MTM媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料的設(shè)計原理為：通過優(yōu)化MTM結(jié)構(gòu)模型和調(diào)控MTM結(jié)構(gòu)單元的電、磁諧振，使ε（w）＝μ（w），從而實現(xiàn)吸波材料和自由空間的阻抗匹配。按此設(shè)計原理，媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)吸波材料的電、磁參數(shù)在諧振區(qū)域具有較大虛部，可確保電磁波達到100 %的吸收率，故這種吸波材料被稱為“完美吸波材料（Peffect Metamaterial Absorber，PMA）”。

PMA于2008年由Landy等首先提出，其單元結(jié)構(gòu)和吸收率，如圖5，6所示。通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，Landy等實現(xiàn)了單層結(jié)構(gòu)厚度僅為0.007λ、反射率為0.01%、透射率為0.9 %、吸收率高達99 %、半高峰寬（FWHM，吸收率在50 %以上的帶寬）只有4 %的PMA。進一步研究還表明：按上述原理設(shè)計的PMA，其吸收率隨單元層數(shù)呈指數(shù)增加，且損耗主要來自材料的介質(zhì)。PMA的研制成功，使其成為研究熱點。隨著研究的深入，新型吸波結(jié)構(gòu)單元不斷被提出，材料的電磁特性也得到明顯改進：如寬角度吸波和極化的穩(wěn)定性進一步增強、吸波頻帶和擴展吸波帶寬進一步增加等，研究范圍也從微波、毫米波、太赫茲，一直延伸到紅外和近可見光等區(qū)域。

相比傳統(tǒng)吸波材料和文獻研究的吸波材料，PMA在吸波性能和結(jié)構(gòu)上具有如下優(yōu)點：

1）單元吸波的獨立性。依據(jù)PMA的設(shè)計思想，PMA每個單元的電磁諧振都獨立發(fā)生，單元之間的吸收相互獨立，大部分能量集中于每個單元內(nèi)部，單元之間的電磁場很小，吸波率對周期性的要求不高，而文獻依據(jù)的同相反射特性一般要求3個周期單元以上才能呈現(xiàn)出良好的電磁特性。該特點對PMA在天線系統(tǒng)的有限空間加載吸波材料非常有利。

2）超薄超輕，易于集成。PMA厚度一般小于幾十分之一波長，質(zhì)量很輕。由于是無源結(jié)構(gòu)，嵌入天線陣列可實現(xiàn)一體化設(shè)計，不增加天線的質(zhì)量和復雜度。

3）、成本低，加工維護簡單。采用一般的介質(zhì)材料板用電路蝕刻技術(shù)就可加工實現(xiàn)，成本低、維護方便，而且加工過程很容易在其他介質(zhì)上重復實現(xiàn)，包括軟介質(zhì)，如Poiymide介質(zhì)，可使結(jié)構(gòu)具有機械靈活性和柔韌性，易于共形。

2、MA在天線隱身中的應用

吸波材料最重要的應用是目標隱身。目前，通過外形隱身和材料隱身技術(shù)，飛行器結(jié)構(gòu)的散射已得到有效減小，如此情況下，天線就成為其雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）平臺上貢獻最大的散射源之一。解決天線隱身的方法包括帶外隱身和帶內(nèi)隱身兩種，對于帶外隱身，頻率選擇表面（Frequency Se- lective Surface，F(xiàn)SS）雷達天線罩能很好地解決問題。據(jù)《AVIONICS MAC》報道，美國新一代F-22戰(zhàn)機已經(jīng)采用帶通式FSS雷達天線罩。但對天線帶內(nèi)隱身，F(xiàn)SS不是一種有效方法，依據(jù)現(xiàn)有研究成果，MA為解決這一問題提供了新的技術(shù)手段。

文獻將基于同相反射特性的MA應用于4x10非均勻脊波導縫隙陣中，在工作頻率上RCS的E面峰值下降了8.1 dBsm，H面RCS峰值下降了6.3 dBsm。文獻利用同類型MA結(jié)構(gòu)進一步分析了其在微帶天線和螺旋天線陣RCS減縮中的應用，在保持天線輻射性能的基礎(chǔ)上同樣獲得良好的RCS減縮效果。文獻利用文獻提出的干涉型吸波材料設(shè)計思想，設(shè)計了一種“環(huán)結(jié)構(gòu)”的吸波結(jié)構(gòu)，并將其應用于波導縫隙天線，實現(xiàn)天線帶內(nèi)RCS最大20 dB的減縮。增益增加1.7 dB，旁瓣則降低4 dB。

對基于MTM媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的PMA，雖然已表現(xiàn)出良好的吸波性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，但目前已有的文獻僅僅分析了其吸波特性，還沒有研究其在天線RCS減縮中的應用，說明PMA在天線隱身方面的應用還沒有引起足夠重視。

3、總結(jié)與展望

新型超材料的出現(xiàn)為設(shè)計新型微波器件、設(shè)備提供了新的技術(shù)手段，利用其同相反射特性和媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的特點，眾多輕薄、吸收率較高的吸波材料正脫穎而出，尤其是基于媒質(zhì)參數(shù)可調(diào)的完美吸波材料，由于其自身的優(yōu)勢，必將在隱身領(lǐng)域具有廣闊的應用前景=但此類吸波材料目前仍處于探索階段，由于研制技術(shù)不夠成熟，距實際應用還有一定距離。

基于現(xiàn)有研究進展，MA及其在天線隱身中的應用研究，下一步將會集中在以下3個方面：1）、寬帶MA的研制。采用何種有效方法實現(xiàn)寬帶吸波，將是吸波材料研制的重要問題之一。2）、MA與天線的一體化設(shè)計。研究如何加載MA，使天線既能保持良好的輻射性能，又能實現(xiàn)RCS減縮，將是一體化設(shè)計的關(guān)鍵問題。3）結(jié)合已成熟的FSS雷達天線罩帶外隱身技術(shù)，研究如何實現(xiàn)天線全頻域RCS減縮，將是實現(xiàn)飛行器徹底隱身的根本問題。毫無疑問，上述3個方面研究前景誘人。