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。傳統的吸波材料大多是基于Salisbury吸收屏原理設計，其典型不足是體積過大。隨著通信、隱身等領域對吸波材料性能要求越來越高，傳統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）是近年來電磁領域的研究熱點之一，其特點是具有亞波長的周期性單元結構。該單元結構如同傳統材料的原子和分子，通過空間組合，可表現出新的電磁特性和功能。超材料的研究經歷了電磁帶隙結構（Eleetromagnetie Band Gap，EBG）、左手材料（Left Hand Material，LHM）和基于光學變換的異向介質等發展歷程，其特性幾乎涵蓋電磁領域。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，研制新型設備，還可為新型吸波材料的研制提供新的技術手段。

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域的應用前景。

1、基于MTM的新型吸波材料

依據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參數可調的吸波材料。

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結構層和損耗層。損耗層材料可以是傳統電損耗材料，也可以直接將集總電阻加載在貼片之間作為損耗層，選擇適當的電阻值可以在一定頻段內較好地吸收入射電磁波。這種結構的設計依然是基于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，可以實現超薄特性。

2000年，N.Engheta等首次提出利用MTM同相反射特性實現超薄吸波材料的構想。基于該構想.2005年，S.Simms等利用mushroom-like EBG結構實現了超薄吸波結構，該結構將耗損層放置在離高阻表面很近的地方，從而實現一定頻帶內的吸波作用。以此設計為基礎，Gao等進一步提出外加集總電阻構成吸波結構的方案，并給出反射系數和相位測試參數，如圖1，2所示。與Simms等提出的吸波結構相比，Gao等人提出的吸波材料更薄、且結構更為緊湊。

2）、干涉型吸波材料。該吸波材料按電磁波相干涉原理設計。對于傳統干涉型吸波材料，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構較厚，吸收頻帶較窄。

2007年，Maurice Paquay等利用高阻EBG結構的同相反射特性，設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結構與完美良導體（PEC）結構組成棋盤結構。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 %，結構厚為0.062 5 λ。針對該設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反射相位特征的高阻EBG結構組成棋盤結構的改進方案。通過改進，該型吸波材料的-10 dB吸收帶寬分別達到58.5%和32 %，結構厚度降至0.042λ。

1.2、媒質參數可調吸波材料

基于MTM媒質參數可調吸波材料的設計原理為：通過優化MTM結構模型和調控MTM結構單元的電、磁諧振，使ε（w）＝μ（w），從而實現吸波材料和自由空間的阻抗匹配。按此設計原理，媒質參數可調吸波材料的電、磁參數在諧振區域具有較大虛部，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，其單元結構和吸收率，如圖5，6所示。通過優化單元結構，Landy等實現了單層結構厚度僅為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：按上述原理設計的PMA，其吸收率隨單元層數呈指數增加，且損耗主要來自材料的介質。PMA的研制成功，使其成為研究熱點。隨著研究的深入，新型吸波結構單元不斷被提出，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域。

相比傳統吸波材料和文獻研究的吸波材料，PMA在吸波性能和結構上具有如下優點：

1）、單元吸波的獨立性。依據PMA的設計思想，PMA每個單元的電磁諧振都獨立發生，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，而文獻依據的同相反射特性一般要求3個周期單元以上才能呈現出良好的電磁特性。該特點對PMA在天線系統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，質量很輕。由于是無源結構，嵌入天線陣列可實現一體化設計，不增加天線的質量和復雜度。

3）、成本低，加工維護簡單。采用一般的介質材料板用電路蝕刻技術就可加工實現，成本低、維護方便，而且加工過程很容易在其他介質上重復實現，包括軟介質，如Poiymide介質，可使結構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，飛行器結構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隱身兩種，對于帶外隱身，頻率選擇表面（Frequency Se- lective Surface，FSS）雷達天線罩能很好地解決問題。據《AVIONICS MAC》報道，美國新一代F-22戰機已經采用帶通式FSS雷達天線罩。但對天線帶內隱身，FSS不是一種有效方法，依據現有研究成果，MA為解決這一問題提供了新的技術手段。

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結構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計思想，設計了一種“環結構”的吸波結構，并將其應用于波導縫隙天線，實現天線帶內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媒質參數可調的PMA，雖然已表現出良好的吸波性能和結構優勢，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、總結與展望

新型超材料的出現為設計新型微波器件、設備提供了新的技術手段，利用其同相反射特性和媒質參數可調的特點，眾多輕薄、吸收率較高的吸波材料正脫穎而出，尤其是基于媒質參數可調的完美吸波材料，由于其自身的優勢，必將在隱身領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，由于研制技術不夠成熟，距實際應用還有一定距離。

基于現有研究進展，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RCS減縮，將是一體化設計的關鍵問題。3）結合已成熟的FSS雷達天線罩帶外隱身技術，研究如何實現天線全頻域RCS減縮，將是實現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。