张略等：可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 02035 文章编号：1001-9731(2018)02-02035-08 可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 张晗12，王东红12，张泽奎12，李宝毅12 (1.中国电子科技集团公司第三十三研究所，太原030006 2.电磁防护材料与技术山西省重点实验室，太原030006) 摘要：超材料回其完美的吸波特性成为近些年来吸波材料的研完热点，但常规的超材料吸波体为被动式吸 波，具有一旦制鉴成型。其吸波转性便无法改查的缺点，因此可调谐超材料明波体浮浙成为主要研究方向之一 报据当前国内外可调谐超材料吸波体的研完情况，分类介绍了几种调谐方式，重点阐违了其模型结构和调控机 理，并归纳了吸波特性曲线的变化拉势，以及与影响因素之问的关系，最后对全文进行总结，对可调谐超材料的发 展趋势行展望，并说明可调谐超材科吸波体对智能隐身的重要作用】 超材料；可调诺性；吸波性能；吸收频率：吸收强度 中图分类 TB34 文献标识码：A D01:10.3969/.issn.1001-9731.2018.02.00 0引言 然属于被动式，都是通过谐振单元周期排列在固体材 料上制备而成 一旦制备成型，其结构、单元尺寸、分 在现代战争中，隐身是至关重要的关键技术，其目 布形式等便被固定下来，导致谐振频率，谐振强度等参 的是隆低目标和背景的差别，减小对目标的可探测性 数被限定，吸波特性便无法再改变，缺乏话应性和可西 传禁的隐身材料常常左在指面量较重，吸收而糟容吸 谐性，难以满足智能隐身系统及复杂多变的电磁环境 收效率低等问题，而且是被动吸收，使用性能固定不 的要求。为拓宽超材料吸波体的应用范围，可调谐超 变，不具备主动功能，无法满足当下在军事装备系统 材料吸波体成为当前主要的研究方向之 一，其吸波特 航天航空系统等领域对隐身功能的需求) 性可随着某一环境或条件的变化实现智能可控，成为 随着高技术的快速发展以及军事竞争的日益激 超材料结 烈， 控的智能 i 据术 科构成可分为两大 金属 和电介 隐身材料在此背景下应时而生。 智能隐身材料与常 金属谐振型的可调谐吸波体，主要通过以下两种方式 规隐身材料相比，可自动调节电磁性能，并且在传感 实现吸波特性的可调可：(1)通过外部环境对超材 信息处理、执行等方面较常规隐身材料有优越的能力 料吸波体的控制，改变某种材质的电磁参数特性，(2 对电子通信业和军事行业等都将产生重要的影响，为 通过引入元器件，特殊材料或自身的物理改变，控制超 提高军事武器装备的伪装掩护技术提供重要的发展途 材料等效电路的结构、尺计、送振模式禁。电介质型超 径和趋势， 材料吸波体更多的是通过结构尺寸的改变，调诺吸波 性能。本文总结了近几年在超材料吸被体可调诺方面 1 可调谐超材料吸波体概沫 的研究情况，并对概述了未来的发展趋势 吸波作为隐身材料功能实现的主要技术途轻之 是将投射到它表面的电磁波通过吸收等 2 超材料吸波体调控方式研究 掉，达到隐身 目的 财料具 2.1 电磁参数的调控 性是在2008年Landyt首次提出，作为 种介电常委 超材料吸波体的结构 一般由超材料层、介质层、金 和磁导率同时为负的人工周期结构材料可，其属性可 属板接地层组成，如图1所示，其中超材料层常用良导 以控制，来实现在某一频点或者须段内对入射电磁波 体作为图形化研究的材质，通过超材料的图形刻蚀，实 既不反射也不透射，达到100%的完美吸收。由于超 现介电常数和磁导率可控，实现完美吸波。因此，通过 材料具有完美的吸波特性，经过10多年的发展，在隐 对介电常数和磁导率这两种电磁参数的调节，可实现 身、通信、新材料、电磁安全防护等领域获得了巨大的 对超材料吸波体吸波特性的调谐。 突破)， 2.1.1介电常数的调控 目前，大部分的超材料吸波体对电磁波的吸收仍 该种调谐方式是基于对介质层的相对介电常数的 ★基金项日：中国电子科技集团公司山西省重点实验室专项资会资助项目( 391 5Z5392 作者简介：张略1989一)，女，陕西成阳人，助理工程师，士，从事吸波超材料研究 362406919@q4.e0m 1004.2018Ch Academic Joumal Electronic Publishing House. All rights reserve http://www.cnki.ne
文章编号：１００１－９７３１（２０１８）０２－０２０３５－０８ 可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势＊ 张 晗１，２，王东红１，２，张泽奎１，２，李宝毅１，２ （１．中国电子科技集团公司第三十三研究所，太原 ０３０００６； ２．电磁防护材料与技术山西省重点实验室，太原 ０３０００６） 摘 要： 超材料因其完美的吸波特性成为近些年来吸波材料的研究热点，但常规的超材料吸波体为被动式吸 波，具有一旦制备成型，其吸波特性便无法改变的缺点，因此可调谐超材料吸波体逐渐成为主要研究方向之一。 根据当前国内外可调谐超材料吸波体的研究情况，分类介绍了几种调谐方式，重点阐述了其模型结构和调控机 理，并归纳了吸波特性曲线的变化趋势，以及与影响因素之间的关系，最后对全文进行总结，对可调谐超材料的发 展趋势进行展望，并说明可调谐超材料吸波体对智能隐身的重要作用。 关键词： 超材料；可调谐性；吸波性能；吸收频率；吸收强度 中图分类号： ＴＢ３４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－９７３１．２０１８．０２．００７ ０ 引 言 在现代战争中，隐身是至关重要的关键技术，其目 的是降低目标和背景的差别，减小对目标的可探测性。 传统的隐身材料常常存在着重量较重、吸收频带窄、吸 收效 率 低 等 问 题，而 且 是 被 动 吸 收，使用性能固定不 变，不具备主动功能，无法满足当下在 军 事 装 备 系 统、 航天航空系统等领域对隐身功能的需求［１］。 随着高技术的快速发展以及军事竞争的日益激 烈，对电磁参数可控的智能系统产生了迫切需求，智能 隐身材料在此背景下应时而生［１］。智能隐身材料与常 规隐身材料相比，可自动调节电磁性 能，并 且 在 传 感、 信息处理、执行等方面较常规隐身材料有优越的能力， 对电子通信业和军事行业等都将产生重要的影响，为 提高军事武器装备的伪装掩护技术提供重要的发展途 径和趋势。 １ 可调谐超材料吸波体概述 吸波作为隐身材料功能实现的主要技术途径之 一，是将投射到它表面的电磁波通过吸收等方 式 损 耗 掉，达到隐身的目的。电磁超材料具有 完 美 的 吸 波 特 性是在２００８年 Ｌａｎｄｙ［２］首次提出，作为一种介电常数 和磁导率同时为负的人工周期 结 构 材 料［３］，其 属 性 可 以控制，来实现在某一频点或者频段内对入射 电 磁 波 既不反射 也 不 透 射，达 到１００％的 完 美 吸 收。由 于 超 材料具有完美的吸波特性，经过１０多 年 的 发 展，在 隐 身、通信、新材料、电磁安全防护等领域获得了巨大的 突破［４］。 目前，大部分的超材料吸波体对电磁波的吸收仍 然属于被动式，都是通过谐振单元周期排列在固体材 料上制备而成。一旦制备成 型，其 结 构、单 元 尺 寸、分 布形式等便被固定下来，导致谐振频率、谐振强度等参 数被限定，吸波特性便无法再改变，缺乏适应性和可调 谐性，难以满足智能隐身系统及复杂多变的电磁环境 的要求。为拓宽超材料吸波体的应用 范 围，可 调 谐 超 材料吸波体成为当前主要的研究方向之一，其 吸 波 特 性可随着某一环境或条件的变化实现智能可 控，成 为 发展智能隐身蒙皮的关键途径和技术。超材料结构根 据材料构成可分为两大 类：金属谐振型和电介质型。 金属谐振型的可调谐吸波体，主要通过以下两种方式 实现吸波特 性 的 可 调 谐［５］：（１）通 过 外 部 环 境 对 超 材 料吸波体的控制，改变某种材质的电磁参数特性；（２） 通过引入元器件、特殊材料或自身的物理改变，控制超 材料等效电路的结构、尺寸、谐振模式等。电介质型超 材料吸波体更多的是通过结构尺寸的改变，调 谐 吸 波 性能。本文总结了近几年在超材料吸波体可调谐方面 的研究情况，并对概述了未来的发展趋势。 ２ 超材料吸波体调控方式研究 ２．１ 电磁参数的调控 超材料吸波体的结构一般由超材料层、介质层、金 属板接地层组成，如图１所示，其中超材料层常用良导 体作为图形化研究的材质，通过超材料的图形刻蚀，实 现介电常数和磁导率可控，实现完美吸波。因此，通过 对介电常数和磁导率这两种电磁参数的调节，可 实 现 对超材料吸波体吸波特性的调谐。 ２．１．１ 介电常数的调控 该种调谐方式是基于对介质层的相对介电常数的 张 晗 等：可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 ５３０２０ ＊ 基金项目：中国电子科技集团公司山西省重点实验室专项资金资助项目（ＺＸ１５ＺＳ３９１，ＺＸ１５ＺＳ３９２） 收到初稿日期：２０１７－０６－０７ 收到修改稿日期：２０１７－１０－２３ 通讯作者：张 晗，Ｅ－ｍａｉｌ：３６２４０６９１９＠ｑｑ．ｃｏｍ 作者简介：张 晗 （１９８９－），女，陕西咸阳人，助理工程师，硕士，从事吸波超材料研究
材 2018年第2期(49)卷 改变，常引入对场强、光强、温度等信号敏感的特殊材 高频方向移动。 料，通过外部条件的控制，在一定的电场强度或温度范 王连胜等)利用电流变液的相对介电常数随施加 围内可以改变介质的介电常数，使得电磁波在介质中 的电场强度变化而改变的特殊性质，研究了KNb(), 的损耗情况随之发生变化，从面可以调凿谐振频率的 硅油和STO,硅油两种电流变液的调控性能。结构 大小和谐振强度的高低。 示意图加图3所示，金届ERR层句塞在电流液后 中。 谐振频率满足如下公式 超材料员 介质层 其中，c为其空中光速，L为金属ERR边长，E为 ■金属按地层 ERR附近的等效介电常数。 FR4介质层· 困1超材料吸波体单元结构 金属板尽 Fig 1 Unit cel of the metamateria l absorber structur 程伟采用双开口谐振环结构，如图2所示，利用 温度敏感材料第化铟(InSb)作为介质层（深色部分为 电流变液层， 介质层)。 金属ERR层： FR4介质 电流变液翅材料吸流体结构 d metamaterial absorbe structur 在 一定的电场强度范围内，电流变液的介电常数 是随着场强的增强而增大，谐振频率向低频方向移动 调节率为40%左右，且吸收率逐渐增高。 在上述的调控方式中，通过外部环境控制介质局 的相对介电常数值，使电磁波在介质中的损托随若数 Fig 2 Unit cell of the InSb metamaterial absorber 值的变化而变化，从而影官吸波体对电磁波的吸收率 其中，随若介电常数升高，谐振频率向低频方向移动 Insb的介电常数受温度的控制，可表示为 介电常数隆低，谐振撬率向高矩方向移动。 212电导案的调控 E(w)-E- (1) 该调控方式是基于对超材料层的电导奉的改变 N=5.76×10 T。6 该 其中，E为高频极限介电常数，N是本征载流子 件的变 密度，e是电子电量，m·是自由载流子的有效质量，y 是能量损耗的衰减系数，Kg是玻尔兹曼常数，T是温 莫漫漫 门等均中利用 二氧化钒(VO, 度（单位为开尔文），锑化细相对介电常数与温度呈反 薄膜的绝缘-金属相变特性 ,其电导率和温度的关 比关系 如表1所示，在68℃左右时，产生绝缘态-金属态的料 超材料吸波体的结构单元可用等效的C谐振 变，通过外部温控的方式，对电导率实施调控，进而调 路模型描述，其诺振频率由等效电感与等效电容决定 诺超材料吸波体的吸波特性 表1V0,满膜电导率与温度的关系 在该开口谐振环结构中，等效电感L和等效电容C可 由下式表示 Table 1 The relationship between VO:film conduc C=ot tivity and temperature (3) 温度/心全属组分体积分数/%电手率/S·m 1 (4) 0.04 079 1530 -2R/LC 173 2.17×10 69. 1.5×10 2.12×1 为开口谐振环的厚度，为开口的边长，g为开口间 王连胜等灯将V(O2作为超材料层，从上到下依为 距。由式(1)(4)可知，随若温度的升高，谐振频率向 是圆环状V()2薄膜层，FR4介质层、金属铜板层，示意 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
改变，常引入对场强、光强、温度等信号 敏 感 的 特 殊 材 料，通过外部条件的控制，在一定的电场强度或温度范 围内可以改变介质的介电常数，使得电磁波在 介 质 中 的损耗情况随之发生变化，从而可以调谐谐振 频 率 的 大小和谐振强度的高低。 图１ 超材料吸波体单元结构 Ｆｉｇ１Ｕｎｉｔｃｅｌｌｏｆｔｈｅｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 程伟［６］采用双开口谐振环结构，如图２所示，利用 温度敏感材料锑化铟（ＩｎＳｂ）作为介质层（深色部分 为 介质层）。 图２ ＩｎＳｂ超材料吸波体单元结构 Ｆｉｇ２ ＵｎｉｔｃｅｌｌｏｆｔｈｅＩｎＳｂ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＩｎＳｂ的介电常数受温度的控制，可表示为 ε（ω）＝ε∞ － Ｎｅ２ ε０ｍ＊ （ω２ ＋ｉγω） （１） Ｎ ＝５．７６×１０２０Ｔ３／２ ｅ－０．２６／（２ＫＢＴ） （２） 其中，ε∞ 为高频极限介电常数，Ｎ 是本征 载 流 子 密度，ｅ是电子 电 量，ｍ＊ 是 自 由 载 流 子 的 有 效 质 量，γ 是能量损耗的衰减系数，ＫＢ 是玻尔兹曼常数，Ｔ 是温 度（单位为开尔文），锑化铟相对介电常数与温度呈反 比关系。 超材料吸波体的结构单元可用等效的 ＬＣ 谐振电 路模型描述，其谐振频率由等效电感与等效电容决定， 在该开口谐振环结构中，等效电感Ｌ 和等效电容Ｃ 可 由下式表示 Ｌ ＝μ０ｄ２ ｔ ，Ｃ ＝εε０ｔ１ ｇ （３） ｆ＝ １ ２π槡ＬＣ （４） 其中，μ０ 为真空磁导率，ε０ 为真空介电常数，ε 为 介质锑化铟的相对介电常数，ｄ 为开口谐振环的边长， ｔ为开口谐振环的厚度，ｌ 为开口的边 长，ｇ 为 开 口 间 距。由式（１）～（４）可知，随着温度的升高，谐振频率向 高频方向移动。 王连胜等［７］利用电流变液的相对介电常数随施加 的电场强度 变 化 而 改 变 的 特 殊 性 质，研 究 了 ＫＮｂＯ３－ 硅油和ＳｒＴｉＯ３－硅油两种电流变液的调控性能。结构 示意图如图３ 所 示，金 属 ＥＲＲ 层 包 裹 在 电 流 变 液 层 中。谐振频率满足如下公式 ω ∝ ｃ ２Ｌ槡ε （５） 其中，ｃ 为真空中光速，Ｌ 为金属 ＥＲＲ 边长，ε 为 ＥＲＲ附近的等效介电常数。 图３ 电流变液超材料吸波体结构 Ｆｉｇ３Ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｌｕｉｄ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 在一定的电场强度范围内，电流变液的介 电 常 数 是随着场强的增强而增大，谐振频率向低频方向移动， 调节率为４０％左右，且吸收率逐渐增高。 在上述的调控方式中，通过 外 部 环 境 控 制 介 质 层 的相对介电常数值，使电磁波在介质中的损耗随着数 值的变化而变化，从而影响吸波体对电磁波的吸收率。 其中，随着介电常数升高，谐振频率向 低 频 方 向 移 动， 介电常数降低，谐振频率向高频方向移动。 ２．１．２ 电导率的调控 该调控方式是基于对超材 料 层 的 电 导 率 的 改 变， 引入电导率可控的物质。由于该方法改变的是超材料 层的电导率，引起的只是阻抗匹配条件的变化，故只能 达到对谐振强度的调谐。 王连胜［８］、莫 漫 漫［９］等均中利用二氧化钒（ＶＯ２） 薄膜的绝缘－金属相变特性［１０］，其电导率和温度的关系 如表１所示，在６８ ℃左右时，产生绝缘态－金属态的相 变，通过外部温控的方式，对电导率实 施 调 控，进 而 调 谐超材料吸波体的吸波特性。 表１ ＶＯ２ 薄膜电导率与温度的关系 Ｔａｂｌｅ１ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＶＯ２ｆｉｌｍｃｏｎｄｕｃ－ ｔｉｖｉｔｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 温度／℃ 金属组分体积分数／％ 电导率／Ｓ·ｍ－１ ４０ ０．００００７９ １３０ ６０ １．７ ８２０ ６７ １７．３ ２．１７×１０４ ６９ ６９．５ １．５×１０５ ８０ ９４．５ ２．１２×１０５ 王连胜等［８］将 ＶＯ２ 作为超材料层，从上到下依次 是圆环状 ＶＯ２ 薄膜层、ＦＲ４介质层、金属铜板层，示意 ６３０２０ ２０１８年第２期（４９）卷
张哈等：可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 02037 图如图4所示。随着温度从4080℃的增加，V)2 将VO薄膜覆盖在介质层上，如图5所示，随着温度 超材料层从绝缘态到金属态，吸收率随之提高，在 的增加，VO:介质层从绝缘态到金属态，吸收率降低 80℃达到最大值，而诺振频率不发生移动。莫漫漫可 如图6所示。 a单环结构 Fig 4 Unit cell of the VO. 石墨烯以其优异的高导电性，高导热性、高稳定性 及高强度，高硬度等性能，近年来成为研究热点之 国内外对于石墨烯可调谐超材料的研究也都取得了 c(w,Er,「，T)=cn(w,Ee,「，T)十oma(a,Ee,P,T) _je(o-j2r) fa(-E)-fa(E) (6 de 其中，m为角频奉，E:为化学势，「为现象学散射 物的电容。 率，T为环境的绝对温度，e为一个电子的带电量，h= 上述的关系式看出，可以通过金属电极和金属背 h/2x为狄拉克常数(h为普朗克常数)，fa(e)为费米 相之间的外加电压来改变石墨烯的电导率，实现谐振 狄拉克方程分布。 频率和幅度的动态调控。Zhang等[、Deng等)利 用石墨烯替代图5中的VO,结构.Zhu等)用石墨烯 替代超材料层的金属结构 islay vasi1 S102介质房 中也是调节石墨烯的外加电压，实现可调谐的% P金网层 果。 S支找作用 利用电磁参数调谐超材料吸波体，主要是针对超 材料层和介质层的关键电磁参数进行研究。引入特殊 材料，通过外部条件控制材料属性，改变吸波体的电磁 图5VO,提材料吸波体侧剖面结构 参数。其调谐方式较为简单方便，调谐曲线是连续变 Fig 5 Side section of the VO:metamaterial absorber 化，可构成一些列的调诺结果，但由于是受到外部环境 structure 的控制，且特陈材料的属性随环境的变化率规律性较 1.0 差，导致调谐的精准度较低。利用石墨烯进行超材料 吸波特性的调谐效果较好，研究主要集中在太赫兹和 外和业 墨烯的制备 过程复 ,理论研究较多，实际实现较 02 等效电路的调控 超材料吸波体能够吸收电磁波需满足2个条件 (1)进入材料内部的电磁波能够被损耗掉，即衰减特 性：(2)电磁波能够最大程度的进入到材料内部，即阻 图6不同温度下的吸收率曲线 抗匹配。因此，除了可通过电磁参数改变衰减特性来 Fig 6 Absorption curve at different temperature 调谐外，还可通过超材料结构与空气的阻抗匹配程度 石墨烯的费米能级E。与外加在石墨烯上的偏置 调谐。以下针对超材料结构单元的等效电路的结构 电压V,的关系如下式所示 尺寸、谐振模式等方面对超材料吸波体的调控方式进 E:=iV√a 行详细阐述。 其中，V,为费米速度，a为单位面积的SiO,氧化 1994-2018 China Academic Jour mal Electronic Publishing House All rights http://www.cnki.ne
图如图４所 示。随 着 温 度 从４０～８０ ℃ 的 增 加，ＶＯ２ 超材 料 层 从 绝 缘 态 到 金 属 态，吸 收 率 随 之 提 高，在 ８０℃达到最大值，而 谐 振 频 率 不 发 生 移 动。莫 漫 漫［９］ 将 ＶＯ２ 薄膜覆盖在介 质 层 上，如 图５所 示，随 着 温 度 的增加，ＶＯ２ 介质层从绝缘态到金属态，吸收率降低， 如图６所示。 图４ ＶＯ２ 超材料吸波体单元结构 Ｆｉｇ４ＵｎｉｔｃｅｌｌｏｆｔｈｅＶＯ２ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 石墨烯以其优异的高导电性、高导热性、高稳定性 及高强度、高硬度等性能，近年来成为 研 究 热 点 之 一， 国内外对于石墨烯可调谐超材料的研究也都取得了一 定的进展。石墨烯的导电率会随费米能级和工作频率 的变化而变化，关系如下式所示［１１］ σ（ω，ＥＦ，Γ，Ｔ）＝σｉｎｔｒｓ（ω，ＥＦ，Γ，Ｔ）＋σｉｎｔｅｒ（ω，ＥＦ，Γ，Ｔ） ＝ｊｅ２（ω－ｊ２Γ） π２ １ （ω－ｊ２Γ）２ ×∫ ∞ ０ εｆｄ（ε） ε －ｆｄ（－ε） （ ） ε ｄε－∫ ∞ ０ ｆｄ（－ε）－ｆｄ（ε） （ω－ｊ２Γ）２ ［ ］ －４（ε／）２ｄε （６） 其中，ω 为角频率，ＥＦ 为化学势，Г 为现象学散射 率，Ｔ 为环境的绝对温度，ｅ为一个电子的带电量，＝ ｈ／２π为狄拉克常数（ｈ 为普朗克常数），ｆｄ（ε）为费米－ 狄拉克方程分布。 图５ ＶＯ２ 超材料吸波体侧剖面结构 Ｆｉｇ５ＳｉｄｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＶＯ２ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图６ 不同温度下的吸收率曲线 Ｆｉｇ６Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｕｒｖｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 石墨烯的费米能级 ＥＦ 与外加在石墨烯上的偏置 电压Ｖｇ 的关系如下式所示 ＥＦ ＝ＶＦ 槡πａＶｇ （７） 其中，ＶＦ 为费米速度，ａ 为单位面积的 ＳｉＯ２ 氧化 物的电容。 上述的关系式看出，可以通 过 金 属 电 极 和 金 属 背 栅之间的外加电压来改变石墨烯的电导率，实 现 谐 振 频率和幅度 的 动 态 调 控。Ｚｈａｎｇ等［１２］、Ｄｅｎｇ等［１３］利 用石墨烯替代图５中的 ＶＯ２ 结构，Ｚｈｕ等［１４］用石墨烯 替代超材料层的金属结构。ＢｏｒｉｓｌａｖＶａｓｉ等［１５］、Ｄｉｎｇ 等［１６］中也是调节石墨烯的外加电压，实现可调谐的效 果。 利用电磁参数调谐超材料 吸 波 体，主 要 是 针 对 超 材料层和介质层的关键电磁参数进行研究。引入特殊 材料，通过外部条件控制材料属性，改变吸波体的电磁 参数。其调谐方式较为简单方便，调谐曲线是连续变 化，可构成一些列的调谐结果，但由于是受到外部环境 的控制，且特殊材料的属性随环境的变化率规律性较 差，导致调谐的精准度较低。利用石墨烯进行超材料 吸波特性的调谐效果较好，研究主要集中在太赫兹和 更高频率的红外和光波频段［１７－２０］，但石墨烯的制备工 艺、过程复杂，理论研究较多，实际实现较少。 ２．２ 等效电路的调控 超材料吸波体能够吸收电 磁 波 需 满 足２个 条 件： （１）进入材料内部的电磁波能够被损耗掉，即 衰 减 特 性；（２）电磁波能够最大程度的进入到材料内部，即阻 抗匹配。因此，除了可通过电磁参数改变衰减特性来 调谐外，还可通过超材料结构与空气的阻抗匹配程度 调谐。以下针对超材料结构单元的等 效 电 路 的 结 构、 尺寸、谐振模式等方面对超材料吸波体的调控方式进 行详细阐述。 张 晗 等：可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 ７３０２０
02038 材 2018年第2期(49)卷 2.21电路结构的调控 频点之间变化，实现吸收曲线的双峰值和单蜂值的变 利用外部装置控制特殊材料，使单元结构的超材 化，诺振频率实现可调诺。 料层的【C等效电路图结构发生变化，从而影响谐振 1.0f 辄率，就可实现超材料吸波体吸波特性的可调。 0.8 得伟[)Z孙amg等[町将光铺感半导体陆嵌入到金 率进行控制，使外侧的两个开口表现为截止或导通的 0.2 状态，等效电路图如图8所示，无泉浦光时的谐振频季 0.60.81.0 f,和有泵浦光时的谐振频率f。分别可以表示为 6 图9不同电导率下的吸收率由线 -2xJC+2CL7元 (8) (9) 在上述对单元结构等效电路的调控方式中 主要 f九2√CL:7 是利用特殊材料自身属性的变化来改 电路结构， 从式(6)和(7)可得， 即Si在不同的电导 然材料属性连续变化的规律性依然较差，但由于等效 率下，实现了超材料吸波体谐振频率的调谐。吸收车 电路可变化结构的种类数是离散量，因此调谐的准确 曲线如图9所示，可调谐范围高达0.565THz 度高，调诺结果非连续 2.2.2电路尺寸的调控 通常是直接采用拉伸、扭曲等物理方式来达到对 吸波特性的调诺，在实际的样品制备和实现调诺性能 的村程中，须采用可形变的柔性材料和提供外力的机 械装置。 Zhai等四利用闭合的金属谐振环结构和T”型结 构构成超材料吸波体，介质基 为F ,其俯视结 示意图如图10所示。根据超材料理论，闭合环结构利 “T“型结构的间距越大，电磁耦合越小，即谐振频率随 间距，的增大而减小。在单波段结构的基础上还设 图7半导体S超材料吸波体单元结构 计出双波段超材料吸波体，其调控方式、可调谐性均与 teria 单频吸波体一致。利用HFSS软件的仿真研究与理论 ab sorber structur 分析的结果一致。 a开口载止状态 图10单波段吸波体单元结构 Fig 10 The physical structure of the single-band abr sorb e 开军电路 Pryce等四利用聚二甲基硅氧烷作为柔性基底材 料，形变率可达50%，谐振频率会出现明显的蓝移，但 Fig 8 E 由于生形变后无法恢复，对吸波特性的影用是不可 逆转的。在此基础上，Le等而对柔性基底先进行 体结构的金属双环之间，通过改变半导体硅的电导率 了拉伸处理，使形变可逆，但因形变对超材料层图形结 内、外金属环的关系在“断路”和“短路”之间变化，结构 构产生的影响，使得吸波体的品质因数较低。1i等 在“双环”和“单环”之间变化，谐振频点在双点和单 将柔性基底和可重构的“”形结构金属周期阵列结合， 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
２．２．１ 电路结构的调控 利用外部装置控制特殊材 料，使 单 元 结 构 的 超 材 料层的 ＬＣ等效电路图结构发生变化，从 而 影 响 谐 振 频率，就可实现超材料吸波体吸波特性的可调。 程伟［６］、Ｚｈａｎｇ等［２１］将光敏感半导 体 硅 嵌 入 到 金 属开口谐振内环的开口处，如图７中的黑色区域，来实 现吸波特性 的 可 调。采 用 外 部 泵 浦 激 光 对 Ｓｉ的 电 导 率进行控制，使外侧的两个开口表现为截止或 导 通 的 状态，等效电路图如图８所示，无泵浦光时的谐振频率 ｆａ 和有泵浦光时的谐振频率ｆｂ 分别可以表示为 ｆａ ＝ １ ２π槡（Ｃ０ ＋２Ｃ１）Ｌ１／２ （８） ｆｂ ＝ １ ２π槡Ｃ０Ｌ２／２ （９） 从式（６）和（７）可得，ｆａ＞ｆｂ，即 Ｓｉ在不同的电导 率下，实现了超材料吸波体谐振频率 的 调 谐。吸 收 率 曲线如图９所示，可调谐范围高达０．５６５ＴＨｚ。 图７ 半导体Ｓｉ超材料吸波体单元结构 Ｆｉｇ７ＵｎｉｔｃｅｌｌｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＳｉｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ａｂｓｏｒｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图８ 等效电路图 Ｆｉｇ８Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍ 李珍珍等［２２］将半导体硅圆环嵌入到超材料吸波 体结构的金属双环之间，通过改变半导体硅的电导率， 内、外金属环的关系在“断路”和“短路”之间变化，结构 在“双环”和“单环”之间变化，谐振频点在双频点和单 频点之间变化，实现吸收曲线的双峰值和单峰值的变 化，谐振频率实现可调谐。 图９ 不同电导率下的吸收率曲线 Ｆｉｇ９Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｕｒｖｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ 在上述对单元结构等效电路的调控方式 中，主 要 是利用特殊材料自身属性的变化来改变电路结构。虽 然材料属性连续变化的规律性依然较差，但由 于 等 效 电路可变化结构的种类数是离散量，因此调谐 的 准 确 度高，调谐结果非连续。 ２．２．２ 电路尺寸的调控 通常是直接采用拉伸、扭曲 等 物 理 方 式 来 达 到 对 吸波特性的调谐，在实际的样品制备和实现调谐性能 的过程中，须采用可形变的柔性材料和提供外力的机 械装置。 Ｚｈａｉ等［２３］利用闭合的金属谐振环结构和“Ｔ”型结 构构成超材料吸波体，介质基底为 ＦＲ－４，其俯视结构 示意图如图１０所示。根据超材料理论，闭合环结构和 “Ｔ”型结构的间距越大，电磁耦合越小，即谐振频率随 间距ｅ１ 的增大 而 减 小。在 单 波 段 结 构 的 基 础 上 还 设 计出双波段超材料吸波体，其调控方式、可调谐性均与 单频吸波体一致。利用 ＨＦＳＳ软件的仿真研究与理论 分析的结果一致。 图１０ 单波段吸波体单元结构 Ｆｉｇ１０Ｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅ－ｂａｎｄａｂ－ ｓｏｒｂｅｒｃｅｌｌ Ｐｒｙｃｅ等［２４］利用聚二甲基硅氧烷作为柔性基底材 料，形变率可达５０％，谐振频率会出现明显的蓝移，但 由于产生形变后无法恢复，对吸波特性的影响是不可 逆转的［２５］。在此基础上，Ｌｅｅ等［２６］对柔性基底先进行 了拉伸处理，使形变可逆，但因形变对超材料层图形结 构产生的影响，使得吸波体的品质因数较低。Ｌｉ等［２７］ 将柔性基底和可重构的“Ｉ”形结构金属周期阵列结合， ８３０２０ ２０１８年第２期（４９）卷
套略等：可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 构成诺振单元。当受机械装置拉伸时，周期性结构的 微液二根管有混无作的工作状态，调控电路的装 间距增大，耦合减弱，诺振频率减小，实现对吸波特性 式。通过微波二极管耦合两个单极化ELC诺振器，如 的调诺。 图11所示，当施加反向偏置电压时，一极管是截止状 通地超材料物理尺计的方武，无需改变原有超 本，该並元结均即由上下两个善语的下1C。物成，为 料的单元结构或者施加外场激励，具有简单易行、调轻 LC谐振模式：当施加正向偏置电压时，二极管是导通 顿段密、规律性好，成本低亮等代鹅。超材料吸被体民 状态，处偶极楼振模式。两种状态改变了超材刻的 哥智青华园是真外奶机板力控制的·美变化是的 耦合特性，进而影响了超材料的吸收性能，表面电流分 整制系统的设 体的可调诺性是非搭的】 布状态如图12所示 吸波特性的变化为非 2.23电路谐振模式的调控 。 Zhu等2通过外部施加的偏置电压的方向，改变 图11超材料吸波体结构示意图 Fig 11 Schematic of metamaterial ()LC语织式 图12表面电流分布图 fig 12 The distributions of surfuce ourrent Bakir等【)连续改变二极管偏置电压强度的大 谐振点变为单谐振占。通过对双开口谐振环(DSRR 小，可实现谐振频率的连续变化，吸波特性为连续性可 超材料吸波体简单的物理旋转，无需引入其它材料，实 调谐 现了在谐振 率处谐振强度的连续性可调，简化了 谐方式，方便易行。 意图如图 3所 当电场方问与 ,磁谐 3 电介质型调控方式研究 振和电谐振的谐振强度为最大值，当DSRR沿磁场方 向旋转，磁谐振和电振的强度随若旋转度数的增 目前已取得的可调谐超材料吸波体研究成果多 而降低。如图14所示，两个谐振频点的吸收率逐渐诚 维的金属谐振型为主，这些结构虽然获得了超常规 小，当旋转角度>60时，电谐振强度基本减小为零，双 物理性能以及可调控性，但往往存在各向异性、极化敏 1004.2018chim mal Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
构成谐振单元。当受机械装置拉伸时，周 期 性 结 构 的 间距增大，耦合减弱，谐振频率减小，实 现 对 吸 波 特 性 的调谐。 调控超材料物理尺寸的方 式，无 需 改 变 原 有 超 材 料的单元结构或者施加外场激励，具有简单易行、调控 频段宽、规律性好、成本低廉等优势。超材料吸波体尺 寸的变化程度是由外部机械力控制的，其变化 是 否 均 匀精确受到控制系统的影响，因此外部控制系 统 的 设 计对实现超材料吸波体的可调谐性是非常重要的。 ２．２．３ 电路谐振模式的调控 Ｚｈｕ等［２８］通过外部施加的偏置电压的方向，改变 微波二极管有源元件的工作状态，调控电路的 谐 振 模 式。通过微波二极管耦合两个单极化 ＥＬＣ谐振器，如 图１１所示，当施加反向偏置电压时，二极管是截止状 态，该 单 元 结 构 即 由 上 下 两 个 普 通 的 ＥＬＣｓ构 成，为 ＬＣ谐振模式；当施加正向偏置电压时，二极管是导通 状态，处于偶极谐振模式。两种状态改变了超材料的 耦合特性，进而影响了超材料的吸收性能，表面电流分 布状态如图１２所示。吸波特性的变化为非连续，只实 现了高低两个频点的谐振，准确度较高，而谐振强度不 变。 图１１ 超材料吸波体结构示意图 Ｆｉｇ１１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图１２ 表面电流分布图 Ｆｉｇ１２Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｃｕｒｒｅｎｔ Ｂａｋｉｒ等［２９］连续改变二极管偏置 电压强度的大 小，可实现谐振频率的连续变化，吸波特性为连续性可 调谐。 樊京等［３０］设计的双开口谐振环（ＤＳＲＲ）的单元示 意图如图１３所示，当电场方向与开口方向平行，磁 谐 振和电谐振的谐振强度为最大值，当 ＤＳＲＲ 沿磁场方 向旋转，磁谐振和电谐振的强度随着旋转度数 的 增 大 而降低。如图１４所示，两个谐振频点的吸收率逐渐减 小，当旋转角度＞６０°时，电谐振强度基本减小为零，双 谐振点变为单谐振点。通过对双开口谐振环（ＤＳＲＲ） 超材料吸波体简单的物理旋转，无需引入其它材料，实 现了在谐振频率处谐振强度的连续性可调，简 化 了 调 谐方式，方便易行。 ３ 电介质型调控方式研究 目前已取得的可调谐超材料吸波体研究成果多以 二维的金属谐振型为主，这些结构虽然获得了超常规 物理性能以及可调控性，但往往存在各向异性、极化敏 张 晗 等：可调谐超材料吸波体的研究现状和发展趋势 ９３０２０