电磁超材料及智能超材料隐身技术发展现状及趋势.pdf
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1、第2 4卷 第3期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.32 0 2 3年6月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YJ u n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 2基金项目:国家自然科学基金(6 1 9 0 1 5 1 2)作者简介:陈天航(1 9 9 4-),男,辽宁沈阳人,工程师,博士,研究方向为体系电磁攻防。E-m a i l:g r e e n d a m z j u.e d u.c n引用格式:陈天航,何磊明,袁宏皓,等.电磁超材料及智能超材料隐身技
2、术发展现状及趋势J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(3):2 6-3 3.C HE N T i a n h a n g,HE L e i m i n g,YUAN H o n g h a o,e t a l.C u r r e n t D e v e l o p m e n t a n d F u t u r e o f E l e c t r o m a g n e t i c M e t a-M a t e r i a l s a n d I n t e l l i g e n t C l o a k i n g T e c h n o l o g y B a s e d o n
3、 S m a r t M e t a-M a t e r i a l sJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(3):2 6-3 3.电磁超材料及智能超材料隐身技术发展现状及趋势陈天航1,何磊明1,袁宏皓1,蔡 通2(1.中国航空研究院,北京,1 0 0 0 2 9;2.空军工程大学防空反导学院,西安,7 1 0 0 5 1)摘要 从武器装备的实际电磁攻防需求出发,聚焦于超材料在电磁领域的应用,简单回顾了电磁超材料的发展历程和实用化进程,着重介绍了近年来最
4、可能产生颠覆性技术的领域 智能可重复编程超材料及基于其的智能隐身系统。基于长期对电磁隐身、新型电磁器件的研究,结合实践经验,对目前超材料隐身技术成熟度进一步提高所面临的难点进行分析,并对未来的发展做出了建议和展望。关键词 智能隐身;电子对抗;电磁频谱战;超材料;超表面D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 3.0 0 4中图分类号 T N 9 7 4 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 3-0 0 2 6-0 8C u r r e n t D e v e l o p m e n t a
5、 n d F u t u r e o f E l e c t r o m a g n e t i c M e t a-M a t e r i a l s a n d I n t e l l i g e n t C l o a k i n g T e c h n o l o g y B a s e d o n S m a r t M e t a-M a t e r i a l sCHE N T i a n h a n g1,HE L e i m i n g1,YUAN H o n g h a o1,C A I T o n g2(1.C h i n e s e A e r o n a u t i
6、c a l E s t a b l i s h m e n t,B e i j i n g 1 0 0 0 2 9,C h i n a;2.A i r a n d M i s s i l e D e f e n d S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 5 1,C h i n a)A b s t r a c t S t u d y i n g t o t h e n e e d s o f e l e c t r o n i c a t t a c k a n d
7、 d e f e n s e i n r e a l i t y o f w e a p o n r y,t h i s p a p e r f o c u s e s a t t e n t i o n o n t h e a p p l i c a t i o n o f m e t a-m a t e r i a l s f o r t h e f i e l d o f e l e c t r o m a g n e t i s m,r e v i e w s b r i e f l y t h e e v o l u-t i o n a n d p r a c t i c a l a
8、 p p l i c a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c m e t a-m a t e r i a l s,a n d i n t r o d u c e s t h e f i e l d s w h i c h h a v e b e e n m o s t p o t e n t i a l l y d i s r u p t i v e t e c h n o l o g i e s i n r e c e n t y e a r s,i.e.i n t e l l i g e n t c l o a k i n g t e c h
9、 n o l o g y a n d s m a r t c l o a k i n g w e a p o n s y s t e m s.B a s i n g a l o n g-t e r m r e s e a r c h o n e l e c t r o m a g n e t i c c l o a k i n g&n o v e l e l e c t r o m a g n e t-i c d e v i c e s i n c o m b i n a t i o n w i t h w o r k i n g s i n i n d u s t r y,t h e p a
10、 p e r a n a l y z e s t h e d i f f i c u l t i e s f a c e d w i t h a c u r r e n t m e t a-m a t e r i a l c l o a k i n g t e c h n o l o g y t o b e f u r t h e r i m p r o v e d,a n d m a k e s s u g g e s t i o n s a n d o u t l o o k s f o r f u t u r e d e v e l o p m e n t.K e y w o r d s
11、 i n t e l l i g e n t c l o a k i n g t e c h n o l o g y;e l e c t r o n i c c o u n t e r m e a s u r e s;e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m w a r-f a r e;m e t a-m a t e r i a l;m e t a s u r f a c e 新兴技术的发展会催生战争形态的改变,正如电子信息技术的发展促使未来战争从传统的陆、海、空、天作战域向赛博、电磁等新型作战域延伸。2 0 1 5 年,美国战略与预算评估中心
12、(C S B A)发布 电波制胜:重拾美国在电磁频谱领域的主宰地位1,明确提出了电磁频谱战的概念,强调“低零功率”作战模式,使用具有低雷达散射截面积(r a d a r c r o s s s e c-t i o n,R C S)的平台搭载各种低截获概率(l o w p r o b-a b i l i t y o f i n t e r c e p t,L P I)传感器进行隐蔽突防,这将成为未来战争中一个重要的作战方式。通过对敌方OO D A循环链中“观察”与“定位”环节的迟滞,各类隐身技术能够极大地增加各类武器平台的突防能力和生存能力。隐身性能也因此成为提升机、舰、弹、车等武器装备生存能力
13、和提高作战效能制胜对手的关键技术指标之一。本文从武器装备的实际电磁攻防需求出发,阐述电磁超材料的发展历程和技术落地进程现状,并重点介绍近年来智能可重复编程超材料及智能隐身微系统的发展前景,最后对超材料技术的未来做了应用难点分析、展望和期盼。1 电磁波隐身武器平台是由于自身发出的特征信号(如红外、光学特征信号,射频信号)或外界探测波接触物体后反馈的物体特征信息(如雷达反射信号)进入敌方探测器中而被发现的,因此隐身在军事上又得名“目标特征信 号控制(s i g n a t u r e c o n t r o l o r s u p p r e s s i o n,S C S)”2。从以上来源出发,
14、雷达隐身的实现手段可大体分为吸波或定向散射、调节物体的散射光与背景类似和干扰欺骗3种方式3,其中最成熟的是吸波或定向散射技术。以美国F 1 1 7 A隐身战斗机为例,为了缩减后向散射,受当时的计算电磁学方法和超级计算机性能限制,设计人员将飞行器的外形修型为每个水平面与垂直面的夹角大于3 0 的多面体结构,并涂覆了一层铁氧体吸波涂料来进一步吸收电磁波,如图1所示。图1 F 1 1 7 A隐身战机的独特外观传统的吸波涂料按照原理划分可大体分为电损耗涂料(非磁性金属氧化物)、磁损耗涂料(羰基铁、铁氧体等)和导电损耗(碳纳米管、石墨烯化合物等。但吸波涂料存在频带窄、对喷涂厚度精度要求高、密度大、不能综
15、合调节等性能短板。此外,因为当时缺乏雷达散射控制的有效手段,F 1 1 7 A甚至没有安装火控雷达,这在如今的复杂电磁战场环境视点下是无法接受的,难以满足新一代武器装备电磁攻防的需要。一种经人工特殊设计的新型结构材料 超材料(M e t a m a t e r i a l)提供了一种解决如上问题的方案。超材料的概念最初由前苏联科学家V e s e l a g o提出的 左 手 材 料(l e f t h a n d e d m a t e r i a l,LHM)引出6,随后其意义及应用范围不断延伸,形成了从微波波段到太赫兹、红外、可见光甚至热学、声学及力学等非电磁领域的研究体系,为实施电磁波
16、与多种物理场的精密控制提供了崭新的方法。根据2 0 1 6年发布的国家标准 电磁超材料术语G B/T 3 2 0 0 5-2 0 1 5 中,超材料被定义为“一种特种复合材料或结构,通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计,使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。”2 电磁超材料电磁超材料是具有超越于传统材料电磁特性的新型人工电磁材料,其主体由周期性的或服从某种排列规律的人工电磁元件所构成,可以等效的看作人造“原子”和“分子”,当这些元件被组合在一起时,便可以在宏观上展现出独特的电磁特性。这些特性可以用来设计多种多样的新型电磁设备,如负折射7,逆切伦科夫辐射8,负古斯汉森位移9,滤波器1 0,
17、调节偏振1 1等等。最初的超材料都是厚度较大的三维体材料,应用曾被长期限制在学术研究领域,不便应用至武器装备上。2 0 1 1年9月,美国哈佛大学C A P A S S O课题组设计了二维平面电磁超材料,即电磁超表面(也被译为超构表面、超颖表面等),并在S c i e n c e 杂志上发表1 2。电磁超表面基于相位突变和极化控制思想设计、遵守广义S n e l l折射/反射定律,它的厚度一般都小于工作波长。这种二维超材料具有尺寸薄、加工精确、易于共形等优势,极大地提升了其应用前景,尤其在天线罩和隐身蒙皮领域潜力凸显。因此,本文后续所提及的超材料实际多为超表面。从实际作战需求出发,电磁超材料在
18、武器装备隐身方面的应用有两种最为成熟:吸波超材料与吸波-透波一体化(以下简称吸-透一体)超材料。吸波超材料通过有序设计的结构,获得吸收或定向散射雷达来波的功能,适合应用于一般部位的飞机蒙皮上。吸-透一体超材料允许某一工作频带内的电磁波透过,而在带外显示为吸波性质,适用于天线罩等需要收发电磁波部位的隐身。在吸波超材料方面,2 0 0 8年,美国波士顿学院的P A D I L L A W J 课题组1 3首次设计了吸波超材料,这种材料由窄金属丝(底层)、中间介质、谐振结72第3期 陈天航,等:电磁超材料及智能超材料隐身技术发展现状及趋势构(顶层)3层组成,几乎可以完全吸收1 1.5 GH z频点的
19、反射电磁场,达到隐身的目的,其单元结构与吸收性能如图2所示。2 0 0 9年,美国爱荷华州立大学S OUKOU L I S C M课题组1 4设计了能够吸收7.7 GH z频率处电磁波的手性超材料,对垂直极化和水平极化入射波都有效。东南大学崔铁军院士课题组1 5设计了能够在3个频点吸收电磁波的超材料,这种方法经常被用于拓宽吸收频带。2 0 1 4年,美国德州大学奥斯汀分校的 A L U A课题组提出了一种覆盖型超材料,可以对天线散射进行管理,达到欺骗敌人或者是隐蔽自身的目的。2 0 1 7年,新加坡南洋理工大学MOU J和S HE N Z1 7提出了一种运用了非福斯特(n o n-F o s
20、t e r)电路的超材料,能够吸收P波段电磁波。图2 P A D I L L A W J 课题组设计电磁超材料的单元电路结构与其吸收性能1 3飞行器天线罩通常已经被设计为隐身外形,可将正面入射的电磁波反射到非威胁方向,避免电磁波进入雷达舱内产生腔体散射,但这些反射信号仍然可能被敌双站、多站雷达捕捉到。因此应用一种能在工作频带内透过电磁波、频带外吸收电磁波的吸-透一体材料是设计天线罩的更优选择。美国俄亥俄州立大学MUNK B A1 8于2 0世纪6 0年代就开始在雷达散射控制方面进行研究,发表了一系列有关 频 率 选 择 表 面(f r e q u e n c y s e l e c t i v
21、 e s u r f a c e,F S S)的研究成果,催生了一系列在特定频段的吸-透一 体 电 磁 结 构。2 0 1 2年,意 大 利 比 萨 大 学 的MONO R CH I O A课题组1 9提出了低透高吸隐身天线罩,上层电阻层由方环周期结构组成,下层由有选频透过性的电磁表面构成。2 0 1 4年,电子科技大学肖绍球课题组2 0设计了一种中频透过,两侧频带吸收的带通吸-透一体电磁材料,其电阻层与频选层都由方环和交叉偶极子构成,电阻层中被嵌入了集总元件,其单元结构和S参数如图3所示。2 0 1 7年,国防科技大学付云起教授课题组2 1提出了一种带有集 总 电 路 元 件 的 低 吸 高
22、 透 吸-透 一 体 材 料。2 0 1 9年,文献2 2 设计了具有2个吸收带和2个通过带的双通道吸透一体电磁材料。图3 电子科技大学肖绍球课题组设计电磁材料的结构与吸透性能示意图2 0传统的,仅依托于静态结构发挥作用的超材料出厂后即定型,只能静态调整材料的散射,一旦外部电磁环境有变化,这种静态超材料的预期工作性能将会大幅降低,导致其应用具有较大的局限性。因此,研究人员开始尝试在静态结构中加入有源元件要素,来实现对电磁波的主动实时控制。从控制途径来分类,有热调制2 3、机械调制、光调制2 6和电调制2 7等。电调制又可按照有源元素的分类分为电调材料和集总电路元件等。其中,由于电路元件可以很方
23、便地被集成在微波超材料的单元结构上,如图4所示,且现场可编程逻辑门阵列(f i e l d p r o-g r a mm a b l e g a t e a r r a y,F P GA)可以以编程的方式控制这些电路元件的电参数,因此嵌入电路元件的82空军工程大学学报2 0 2 3年微波超材料在雷达隐身和射频隐身领域有着较大的应用前景。图4 典型可重复编程微波超材料单元的结构示意图及其S1 1参数2 82 0 1 0年,英国肯特大学的S AN Z-I Z QU I E R D O B等人2 9设计了一类可调吸-透一体电磁材料,他们在同心的开口谐振环上装设了P I N二极管或变容二极管,分别实现
24、吸-透种类和工作频率调节的功能。2 0 1 2年,空军工程大学曹祥玉教授团队3 0提出利用分形结构的自相似性,在H i l b e r t超表面结构中嵌入了2个二极管,完成对吸波频段的调控。2 0 1 4年,崔铁军院士课题组3 1和美国宾夕法尼亚大学E NGHE T A课题组3 2相互独立提出数字超材料的概念。崔铁军课题组提出了一种可重复编程编码超表面,在单元结构上加入可由馈电调节的P I N二极管,2种分别对应工作频率下0与的反射相位,这2种状态分别对应二进制编码的“0状态”和“1状态”,如图5所示。至此,通过F P GA可以实时对单元结构的反射相位进行调整,达到反射波控制的效果。浙江大学冉
25、立新课题组3 3在超材料单元中加入变容二极管,达到通过馈电切换超表面的透波和“不透明”的状态。2 0 1 6年,空军工程大学杨欢欢课题组3 4设计了应用包含P I N二极管的单元结构,实现了动态偏振、散射和聚焦控制等功能。2 0 1 6年,西安交通大学的徐卓课题组3 5提出了一种使用P I N二极管的控制极化波形的透射型超表面。同年,法 国 第 一 雷 恩 大 学 的P OU L I GU E N P课 题组3 6设计了由2个P I N二极管组成的透射超表面,拥有较为理想的反射和透射系数。2 0 1 8年,希普布尔印度工程科学技术学院的M I T R A D课题组3 7设计了可切换的吸-透一体
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