基于超材料的新型吸波材料及其天线隐身应用进展

PMA于2008年由Landy等首先提出，其单元结构和吸收率，如图5，6所示。通过优化单元结构，Landy等实现了单层结构厚度仅为0.007λ、反射率为0.01%、透射率为0.9 %、吸收率高达99 %、半高峰宽（FWHM，吸收率在50 %以上的带宽）只有4 %的PMA。进一步研究还表明：按上述原理设计的PMA，其吸收率随单元层数呈指数增加，且损耗主要来自材料的介质。PMA的研制成功，使其成为研究热点。随着研究的深入，新型吸波结构单元不断被提出，材料的电磁特性也得到明显改进：如宽角度吸波和极化的稳定性进一步增强、吸波频带和扩展吸波带宽进一步增加等，研究范围也从微波、毫米波、太赫兹，一直延伸到红外和近可见光等区域。

相比传统吸波材料和文献研究的吸波材料，PMA在吸波性能和结构上具有如下优点：

1）、单元吸波的独立性。依据PMA的设计思想，PMA每个单元的电磁谐振都独立发生，单元之间的吸收相互独立，大部分能量集中于每个单元内部，单元之间的电磁场很小，吸波率对周期性的要求不高，而文献依据的同相反射特性一般要求3个周期单元以上才能呈现出良好的电磁特性。该特点对PMA在天线系统的有限空间加载吸波材料非常有利。

2）、超薄超轻，易于集成。PMA厚度一般小于几十分之一波长，质量很轻。由于是无源结构，嵌入天线阵列可实现一体化设计，不增加天线的质量和复杂度。

3）、成本低，加工维护简单。采用一般的介质材料板用电路蚀刻技术就可加工实现，成本低、维护方便，而且加工过程很容易在其他介质上重复实现，包括软介质，如Poiymide介质，可使结构具有机械灵活性和柔韧性，易于共形。

2、MA在天线隐身中的应用

吸波材料最重要的应用是目标隐身。目前，通过外形隐身和材料隐身技术，飞行器结构的散射已得到有效减小，如此情况下，天线就成为其雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）平台上贡献最大的散射源之一。解决天线隐身的方法包括带外隐身和带内隐身两种，对于带外隐身，频率选择表面（Frequency Se- lective Surface，FSS）雷达天线罩能很好地解决问题。据《AVIONICS MAC》报道，美国新一代F-22战机已经采用带通式FSS雷达天线罩。但对天线带内隐身，FSS不是一种有效方法，依据现有研究成果，MA为解决这一问题提供了新的技术手段。

文献将基于同相反射特性的MA应用于4x10非均匀脊波导缝隙阵中，在工作频率上RCS的E面峰值下降了8.1 dBsm，H面RCS峰值下降了6.3 dBsm。文献利用同类型MA结构进一步分析了其在微带天线和螺旋天线阵RCS减缩中的应用，在保持天线辐射性能的基础上同样获得良好的RCS减缩效果。文献利用文献提出的干涉型吸波材料设计思想，设计了一种"环结构"的吸波结构，并将其应用于波导缝隙天线，实现天线带内RCS最大20 dB的减缩.增益增加1.7 dB，旁瓣则降低4 dB。

对基于MTM媒质参数可调的PMA，虽然已表现出良好的吸波性能和结构优势，但目前已有的文献仅仅分析了其吸波特性，还没有研究其在天线RCS减缩中的应用，说明PMA在天线隐身方面的应用还没有引起足够重视。

3、总结与展望

新型超材料的出现为设计新型微波器件、设备提供了新的技术手段，利用其同相反射特性和媒质参数可调的特点，众多轻薄、吸收率较高的吸波材料正脱颖而出，尤其是基于媒质参数可调的完美吸波材料，由于其自身的优势，必将在隐身领域具有广阔的应用前景=但此类吸波材料目前仍处于探索阶段，由于研制技术不够成熟，距实际应用还有一定距离。

基于现有研究进展，MA及其在天线隐身中的应用研究，下一步将会集中在以下3个方面：1）、宽带MA的研制。采用何种有效方法实现宽带吸波，将是吸波材料研制的重要问题之一。2）、MA与天线的一体化设计。研究如何加载MA，使天线既能保持良好的辐射性能，又能实现RCS减缩，将是一体化设计的关键问题。3）结合已成熟的FSS雷达天线罩带外隐身技术，研究如何实现天线全频域RCS减缩，将是实现飞行器彻底隐身的根本问题。毫无疑问，上述3个方面研究前景诱人。