电磁超材料在微波吸波材料中的应用探索

冯一军，朱 博，徐培华，赵俊明，姜 田

(南京大学电子科学与工程学院，江苏南京210093)

1 前言

人工电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)，代表一类介电常数和磁导率可人为控制、各参量可正可负的新型人工复合电磁材料。一般情况下，超材料的电磁参数呈现出各向异性的特征，而左手材料则是其中一种各向同性的特例。电磁超材料具有自然界中原有材料所不具备的独特性质，其中出现了许多全新的物理现象[1－7]，特别值得指出，近来利用人工电磁材料的独特电磁性质设计电磁波完美吸波材料(Perfect Absorber)成为电磁超材料研究中的另一个热点。深入研究电磁超材料的物理学基础和电磁学基础可大大拓展与深化人类对客观世界的认识，对于揭示出自然界基本规律具有根本性意义。同时，超材料突破并拓宽了自然界现有材料的电磁性质，其独特性质能够有效地提高电磁器件的性能，甚至有可能设计出具突破性的新型器件，有望给信息、军事等行业带来重要变革。电磁超材料已经成为凝聚态物理、电磁学、光学和材料科学等领域的研究热点。

本文首先简要分析了人工电磁超材料的目前研究水平和发展趋势，进而介绍了一系列运用人工电磁超材料的微波吸波材料与结构，包括全极化电磁波吸波结构设计、基于手征超材料结构的微波吸波材料结构、频谱可调节电磁波吸波结构、反射吸收可切换的微波吸波结构等。这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性，具有全新的功能和优势，有效提高了对电磁波的调控能力，具有实际应用前景。

2 人工电磁超材料的发展概况

2.1 国外超材料研究水平和发展趋势

超材料的概念最早由俄国科学家V.G.Veselago在1968年提出[1]。2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的D.R.Smith教授等人根据英国科学家Pendry等人的建议，利用以铜和介质为主的复合材料首次在微波波段实现了具有等效负介电常数、负磁导率的物质，并在实验上证实了其具有双负参量的左手材料性质[2]，从而引发了以左手材料为代表的超材料研究热潮[3]。

超材料具有许多与通常的电磁材料完全不同的奇特性质。首先，双负等效电磁参量导致电磁波在其中传播时，电场和磁场与电磁波波矢量的方向三者满足左手法则(常规电磁介质中三者满足右手法则);因此电磁波能流方向与电磁波传播方向反向平行，电磁波的群速度方向与相速度方向相反，从而具有反向波(Backward Wave)的特性，由此会产生反向的多普勒(Doppler)效应和反向的Cherenkov效应[7]。其次，双负等效电磁参量还将导致负的折射率，形成负折射特性，这是与我们熟知的折射完全相反的奇特现象。2001年圣地亚哥分校小组首先在实验上验证了微波频段的负折射现象[2]，从而被美国《科学》周刊评选为2003年世界十大科学成就之一[8]。基于负电磁参数的性质，J.B.Pendry还提出了由此可构成“理想透镜”(Perfect Lens)，它可以突破传统透镜的衍射极限(Diffraction Limit)，对电磁波近场进行成像，从而获得远小于波长的超分辨率[4]。

电磁超材料之所以具有如此多的独特性质，在于其电磁参量(介电常数和磁导率)突破了传统材料的局限，两者均可人工设计和调控。左手材料或电磁超材料的工作频率与其谐振单元的尺寸相关，目前左手材料或电磁特异材料的制备方法日趋成熟，人们已经设计并制备出了微波段[2]、毫米波段[9]、太赫兹[10]、红外[11]的左手材料或电磁特异材料。最近，美国加州大学伯克莱分校的张翔教授领导的小组成功制备了可见光光波段的三维超材料，实现了可见光的负折射[12－13]，为超材料的光学应用奠定了基础，引起了全球科学界的关注。

2.2 超材料实现雷达波吸波和隐身

左手材料出现后，许多学者都提出了左手材料的独特电磁性质可以应用于电磁波吸收材料和结构，实现金属目标的隐身。例如，美国宾西法尼亚大学的N.Engheta教授就提出了利用左手材料的负电磁参数构造高阻抗表面，从而实现薄板电磁波吸波结构[5];又如，利用左手材料中的电磁谐振结构，对其电磁参数进行可控设计，可针对特定频段实现吸波，材料厚度只有二十分之一波长[14]，等等。左手材料或电磁超材料具有较大的损耗，其电磁参量可以用复介电常数和复磁导率来描述。通常情况下，人们在利用这种材料时希望减小其材料损耗对应用的影响，因此绝大多数研究都着眼于如何减小左手材料或电磁超材料的损耗。然而N.I.Landy等人提出了利用电磁超材料实现电磁波完美吸波材料或结构的新概念，充分利用了电磁超材料的强谐振损耗性质[6]。通过合理设计超材料电磁参数，使它的波阻抗与空气匹配，同时利用电磁特异材料的谐振损耗实现完美吸波。他们所设计制备的特异材料吸波结构，理论上可实现100%吸波，经实验验证，在11.5 GHz单层材料(约0.8 mm厚)微波吸收率达88%。

超材料一般是基于电磁谐振的结构，这一点十分类似于纳米磁性薄膜吸收剂中的磁谐振，但其优势在于:其既有磁谐振又有电谐振，两者可以独立设计，从而可以实现阻抗匹配。电磁谐振的结构必然导致其电磁参数存在强色散特性，因此只在一个较窄的频段内表现出理想吸波特性，所以超材料构成的吸波材料或结构是一种窄带吸波结构。这种窄带吸波结构可以用于解决吸波材料的低频问题，屏蔽或吸收特定通信或雷达探测频段的信号，适用于针对特定频率雷达的隐身、特定雷达罩结构、抗电磁干扰、信息安全等应用场合。

2006年，英美科学家又提出了基于超材料的电磁隐身技术新概念(Electromagnetic Cloaking，电磁隐身衣结构)。基于电磁波传播的Maxwell方程的空间坐标变换不变性，通过空间变换设计电磁材料参数，实现电磁波在人工电磁材料中传播路径的弯曲[15]。应用这一理论合理设计人工电磁材料的电磁参数，可使入射电磁波完全在覆盖于目标外的人工电磁超材料中绕射传播，从而实现目标的完全隐身。随后，美国科学家在实验上完全验证了电磁波弯曲绕射传播新概念，实现了微波频段的金属目标隐身[16]。以新型人工电磁材料为基础的新概念电磁波隐身理论和实验验证再次被美国《科学》杂志(2006年12月22号)评为2006年的十大科技突破之一[17]。这种隐身技术新概念与运用吸波材料实现隐身的概念不同，它不是将雷达波能量通过材料吸收，而是通过设计特定人工电磁材料使雷达波绕过武器目标，而不产生回波。

2.3 美欧军事强国重视和支持超材料研究

电磁超材料是对传统电磁材料的拓展和突破，它所具有的奇特性质，如反向波特性、负折射特性、谐振吸波特性等，是对传统电磁现象的突破，可以据此设计出高性能、新型电子材料和器件。随着大量研究工作的不断深入，人们对这种新材料的理论、特性和应用前景逐渐清晰。

目前，国际上对超材料研究十分重视，美欧军事强国也十分关注其可能形成的重要军事应用价值，积极组织力量开展这方面的研究工作，并不断取得突破。早在2000年底，美国国防部“国防高级研究计划署”－DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)就专门启动了关于超材料的研究计划[18]，旨在联合美国大学和研究机构的研究优势对超材料进行攻关;欧美国家的研究机构与政府均已看到了这种新型人工电磁材料的技术、产业、国防应用潜力，高度重视其研究和开发。如欧共体联合协调项目METAMORPHOSE(MetaMaterials Organized for Radio，Millimeter Wave，and Photonic Superlattice Engineering)，由24个欧洲大学参与研究新型超电磁材料，目前已经转入第二阶段[19]。

美国军方和各大基金会(如美国国防部“国防高级研究计划署”DARPA、海军研究办公室ONR、空军科学研究办公室AFSOR、自然科学基金会NSF等)都已开始大力支持新型超材料的研究。法国、德国、意大利、西班牙、日本、新加坡等国，在该研究方面也都投入了许多研究经费。

目前，美欧军方看好超材料有可能在隐身技术、武器装备中微波器件小型化和小型高效天线上实现的突破，这对提高通信和电子战能力尤为重要，因此积极支持超材料相关的基础和预研研究。

3 电磁超材料在微波吸波材料中的应用

本节重点围绕我们近年来在超材料研究上的进展，介绍全极化电磁波吸波结构、基于手征超材料结构的微波吸波材料结构、频谱可调节电磁波吸波结构、反射吸收可切换的微波吸波结构等的设计和性能分析。

3.1 全极化微波吸波结构

N.I.Landy等人首先提出了单极化的超材料吸波结构，但它不能对任意极化的电磁波有效吸收[6]。为了克服这一缺点，开展了能有效吸收任意极化电磁波的全极化超材料吸波结构研究，如图1所示。单元结构正面是4个正交放置的电谐振器 (ELC)，背面是金属结构，中间是介质基片。ELC与入射波电场分量发生强烈的耦合而与磁场分量耦合较弱，会在一定频率上谐振，体现出等效的色散介电常数。穿过ELC和背面金属结构之间介质部分的入射波磁场分量会在ELC和金属结构上感应出方向相反的电流，使单元结构与入射场之间形成磁耦合和磁谐振，从而使单元结构体现出等效的色散磁导率。由于单元的等效介电常数和磁导率分别取决于ELC以及ELC与背面金属结构之间的间隙，所以单独调节ELC的尺寸和介质厚度就可以相对独立的改变电谐振和磁谐振，从而调节等效介电常数和等效磁导率，实现单元的波阻抗与空气基本匹配。并且电磁谐振将导致较大谐振损耗，形成较大的折射率虚部，达到同时减小结构对电磁波的透射系数和反射系数，实现吸波的目的[20]。

图1 (a)单元结构的立体图，(b)复合吸波结构实物照片Fig.1 (a)the unit-cell and(b)photo of the absorber

图2 给出了垂直入射时的仿真及测量结果，在9.5 GHz可以观察到92%的能量吸收峰，实验和仿真数据吻合良好，由于该结构具有对称性，因此对入射波极化方式不敏感。

图2 仿真和测量得到的电磁波传输，反射和吸收系数Fig.2 Simulations and measurements of the transmission，reflection，and absorption

进一步研究了斜入射情况下样品的吸波特性。图3给出了TE波斜入射情况下的测量结果。对于TE波，正入射时吸收系数高于90%，随着入射角度加大吸收强度逐渐下降，但60°的吸收系数仍大于73%。吸收峰的位置随角度有0.05 GHz偏移。在这种人工结构中，电磁能量的吸收一部分来源于谐振时金属上的欧姆损耗，在较大入射角度时，TE波磁场分量在吸波结构平面上的投影分量变小，使得金属上的感应电流强度变小，进而欧姆损耗变小，吸波强度减弱。然而，从以上结果可以清楚地看出该吸波结构对小于60°角的入射波吸收性能良好。

图3 不同角度斜入射下测量的吸收系数Fig.3 Measured absorption under different incident angles

3.2 基于手征超材料的电磁波吸波结构

手征材料(Chiral Material)具有电磁波吸波能力，但传统手征材料的手征性和手征参量比较弱，难以实现良好的吸波性能。采用超材料设计思想，人工设计手征谐振单元结构，可实现强手征性，使超材料实现较大手征参量。可通过研究手征超材料的性质和设计方法，探索利用手征超材料实现电磁波吸波的新途径。

在人工手征超材料的设计上，采用金属磁性薄膜构成的螺旋形构造手征谐振结构单元，通过对该结构进行周期排列或随机杂乱排列，形成了手征谐振型吸波平板结构。通过对手征超材料结构的电磁波仿真分析，发现其吸波性能与螺旋结构的半径密切相关，随着半径的增加，吸波性能增强，同时吸波峰将向低频移动，因此，可通过螺旋结构的半径设计，调整吸波性能。

采用电子束蒸发沉积制备的磁性纳米薄膜构造圆柱筒形螺旋结构，它方便制作，半径和长度也易于掌控。将螺旋筒单元规则嵌入泡沫平板制备了手征超材料结构样品，如图4a所示。实际微波反射测量表明，该手征谐振结构平板具有明显的宽带吸波性能，如图4b所示。通过测试对比，发现螺旋筒半径对于工作频点的调节作用比较明显，半径变大，工作频点向低频端移动，而螺旋筒长度参量对于工作频点的影响则比较小，它对吸波性能的影响主要体现在吸收幅度上，当水平放置时长度变大，吸收幅度变大，而当垂直放置时长度变小则吸收幅度变大。

图4 (a)螺旋手征超材料平板结构，(b)微波反射测试结果Fig.4 (a)spiral metamaterial board and(b)measured reflection data

3.3 可调节人工超材料电磁波吸波结构

由于人工超材料的吸波性能主要由其中的单元谐振结构决定，因此通过人为改变谐振结构就可以方便地实现吸波频谱的有效调节。例如，在吸波结构中集成变容二极管等可调器件，可以制作出拥有新颖可调功能的吸波结构。

图5a给出了一种频谱响应可调节的超材料吸波结构单元，它由介质基板顶层的电谐振单元，介质基板以及介质基板背面的整块金属层构成，在电谐振单元中央的垂直导体上加载了微波变容管。当极化方向沿着中央导体方向的电磁波入射到单元时，单元的金属结构上将产生诱导电流并辐射散射电磁场，以使总电磁场满足单元的边界条件。由于单元是远小于工作波长的，我们可以使用电路概念分析单元的特性。电谐振单元的金属部分可视为电感，当高频电流流过时对其有阻抗作用。变容管可以用电阻和电容的串联模型来表征，电阻反映了变容管自身的欧姆损耗，而电容则代表一定的直流偏置电压下变容管的结电容。因此，顶层的电谐振单元是一个可调节的阻抗网络。此外，顶层的电谐振单元和介质基板背面的金属板构成了磁谐振器，可被磁场激励而发生谐振。由于整个单元的尺度远小于波长又同时具备电、磁谐振特性，所以具有色散的等效介电常数和磁导率。通过调节变容管的结电容，我们可以调节结构的这两个等效参数，从而实现在不同频率上单元结构的波阻抗与自由空间匹配，并达到吸波的目的。

根据仿真优化得到的模型尺寸参数，使用印刷电路板技术在0.8 mm厚的FR4介质板上制作了相应样品。样品的尺寸约为200 mm×200 mm(图5b)。选用SKYWORKS出品的SMV1231－011变容管集成在单元中。样品的仿真和测量结果如图6所示。可见当偏置电压增加时，因每个变容二极管的PN结宽度增加结电容变小，单元的频率响应向高频偏移，达到吸波频率动态可调的目的。对应的吸收峰调节范围为8.47～8.93 GHz。半功率吸收带宽约为5%。随着吸收峰的移动，吸收强度略有变化，其原因是当变容管电容值随偏压改变时，吸收峰频率会发生移动而强度会有所改变。

图5 (a)频率可调超材料吸波结构单元，(b)样品照片(X波段)Fig.5 (a)unit-cell of the tunable absorber and(b)sample photo(X band)

图6 X波段频谱响应可调节吸波结构的仿真和测量结果Fig.6 Simulation and measurement results of the tunable absorber in X band

3.4 双频段可切换人工电磁吸波结构

实际应用中，器件的动态可调性往往很重要。超材料吸波结构的特点是:其吸波性能由结构单元的谐振性质决定，因此，通过改变单元谐振性质或结构，可方便调节吸波响应频谱。我们在超材料吸波结构中集成微波二极管，研究了双频段可切换的吸波结构。改变二极管的开关状态，可使吸波性能在两个频带上动态切换。

图7给出了吸波频带可切换的人工电磁吸波结构，单元主要由两个ELC吸波结构通过加载二极管耦合在一起。单元正面由两个正方形ELC上下摆放构成，并在图7中箭头所示位置集成微波二极管形成耦合。单元背面是全金属板，中间是介质层。与之前介绍的吸波结构不同，此设计中的ELC工作在偶极子谐振模式，而非LC谐振模式。偶极子谐振模式是周期排列ELC结构的高阶模式，谐振频率一般高于LC谐振模式。当入射波电场沿y轴极化时将激励起ELC的偶极子模式，使之对入射波呈现出一定的谐振型等效介电常数。入射波磁场分量穿过ELC与背面金属板，形成入射波与结构的磁耦合，结构呈现出一定的谐振型等效磁导率。

图7 双频段可切换超材料吸波结构单元示意图和样品照片Fig.7 Unit-cell and the sample photo of the due-band switchable metamaterial absorber

当在结构中集成二极管时，相当于将二极管并联在上下ELC之间的电容上，当二极管截止时可等效为并联了结电容，因而会使得谐振吸波频率降低。当二极管导通时，可等效为一个电感，使得谐振吸波频率有所上升。所以控制二极管的开关状态就可以实现吸波峰在两个频带间切换。

图8给出了双频带吸波结构的仿真和测量结果。当二极管正向导通时，在2.94 GHz附近反射系数出现极小值，约为0.13左右;当二极管反向截止时，反射系数极小值移动到2.56 GHz左右，幅度约0.06。两个工作频率之差约0.38 GHz。

图8 不同二极管偏压下测量得到的反射系数和吸收率，以及仿真结果Fig.8 Simulations and measured reflection，absorption of the dueband switchable absorber

3.5 极化选择反射和吸收切换

前述全极化吸波结构是由正交摆放对极化敏感的ELC谐振环来实现整个单元的极化不敏感性。谐振环对入射波中的正交分量是分别独立工作的。因此以该设计为基础，集成微波二极管，控制二极管的导通与截止状态，可实现对相互正交的极化分量独立控制吸波状态的新颖功能[21－22]。

图9a给出了设计的极化选择吸收结构单元示意图。单元由介质基片、顶层正交放置的ELC谐振环和底层的金属背板构成。为了实现吸波性能动态可调，在两金属条之间的切口上集成连接微波二极管，如图9b所示。A行和B行中的二极管连接至两个独立的偏置电路。

图9 (a)极化选择吸收结构示意图，(b)样品照片Fig.9 Schematic(a)and the sample photo(b)of the polarization selective metamaterial absorber

在ELC谐振时，二极管两端连接的ELC电极上将积累异号电荷。通过改变二极管的导通状态就可以控制电荷的中和程度，从而改变谐振强度，进而控制整个结构的吸波特性。如果将一个方向上的二极管导通，另一个方向上的二极管截止，则整个吸波结构就会对某种极化的入射波全部吸收，而对另一正交极化的入射波全反射，而对于除此以外其它极化方式的入射波则会部分吸收，使得反射波发生极化旋转，从而实现具有极化选择性的可控吸波。

图10a是x极化波入射，A行二极管导通或截止对反射系数的控制。当二极管截止时，在3.3 GHz处有一强吸收峰，而当二极管导通时，吸收峰消失，结构体现全反射特性。对于y极化波入射，结构的响应是相似的，如图10b所示。以上结果说明可以通过控制二极管的开关状态，有选择地吸收入射波中的正交极化分量。

图10 不同二极管偏置状态下x极化波(a)和y极化波(b)垂直入射时反射系数的仿真和测量结果Fig.10 Simulations and measurements of the reflection under normal incidence for(a)x－or(b)y－polarized waves

4 结语

本文介绍了作者课题组在运用人工电磁超材料设计研制微波吸波材料和结构方面的一些探索工作。应用人工超材料的特殊物理特性，可开发出一系列电磁波调控新器件，进而发展了电磁波操控的新方法，这些成果都具有实际应用的前景。

References

[1]Veselago V G.The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of Permittivity and Permeability[J].Soviet Physics Uspekhi，1968，10(4):509 －514.

[2]Shelby R，Smith D R，Schultz S.Experimental Verification of a Negative Index of Refraction[J].Science，2001，292:77.

[3]Metamaterial Special Issues[J].IEEE Tran Antenna and Propagation，2003，51(10).

[4]Pendry J B.Negative Refraction Makes a Perfect Lens[J].Phys Rev Lett，2000，85:3 966.

[5]Bilotti F，Alu A，Engheta N，et al.Metamaterial Sub-Wavelength Absorbers[C].Frascati，Italia:Proceedings of the 2005 Nanoscience and Nanotechnology Symposium—NN2005，2005.

[6]Landy N I，Sajuyigbe S，Mock J J，et al.Padilla，Perfect Metamaterial Absorber[J].Phys Rev Lett，2008，100:207 402.

[7]Seddon N，Bearpark T.Observation of the Inverse Doppler Effect[J].Science，2003，302:1 537.

[8]The News and Editorial Staffs.Breakthrough of the Year:the Runners-Up [J].Science，2003，302(5 653):2 039.

[9]Gokkavas M，Guven K，Bulu I，et al.Experimental Demonstration of a Left-Handed Metamaterial Operating at 100 GHz[J].Phys Rev B，2006，73:193 103.

[10]Yen T J，Padilla W J，Fang N，et al.Terahertz Magnetic Response from Artificial Materials[J].Science，2004，303:1 494.

[11]Linden S，Enkrich C，Wegener M，et al.Magnetic Response of Metamaterials at 100 Terahertz [J].Science，2004，306:1 351.

[12]Yao Jie，Liu Zhaowei，Liu Yongmin，et al.Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires[J].Science，2008，321:930.

[13]Valentine J，Zhang Shuang，Zentgraf T，et al.Three-Dimensional Optical Metamaterial with a Negative Refractive Index[J].Nature，2008，455:376 －380.

[14]Bilotti F，Nucci L，Vegni L.An SRR-Based Microwave Absorber[J].Micro Opt Tech Lett，2006，48:2 171.

[15]Pendry J B，Schurig D，Smith D R.Controlling Electromagnetic Fields[J].Science，2006，312:1 780 －1 782.

[16]Schurig D，Mock J J，Justice B J.et al.Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies[J].Science，2006，314:977－980.

[17]The News and Editorial Staffs.Breakthrough of the Year:the Runners-Up[J].Science，2006，314:1 850－1 855.

[18]Defense Advanced Research Projects Agency(美国国防高级研究计划署).Research Plan of Metamaterial(特异材料研究计划)[EB/OL].[2013－04－10].http://www.darpa.mil/dso/thrust/matdev/metamaterials/index.html.

[19]European Union Coordinated Research Project(欧共体联合协调研究项目).METAMORPHOSE(MetaMaterials Organized for Radio，Millimeter Wave，and Photonic Superlattice Engineering)[EB/OL].[2013－04－10].http://www.metamorphose－ vi.org/.

[20]Zhu B，Wang Z，Huang C，et al.Polarization Insensitive Metamaterial Absorber with Wide Incident Angle[J].Progress in E-lectromagnetics Research，2010，101:231－239.

[21]Zhu B，Feng Y，Zhao J，et al.Switchable Metamaterial Reflector/Absorber for Different Polarized ElectromagneticWaves[J].Appl Phys Lett，2010，97:051 906.

[22]Zhu Bo，Feng Yijun，et al.Polarization Modulation by Tunable Electromagnetic Metamaterial Reflector/Absorber[J].Opt Express，2010，18:23 196－23 203.