电磁超材料—一种全新的吸波材料

电磁超材料—一种全新的吸波材料Electromagnetic Metamaterial- A new kind of absorbing material

电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)是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。电磁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，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，与通常电磁介质中三者之间满足右手法则完全不同。由此，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，从而具有反向波的特性，并会产生反向的多普勒效应。其次，电磁超材料可具有负的折射率，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。
电磁超材料由于其独特的电磁性质而可以应用于电磁波吸收材料，实现金属目标的隐身。例如，利用该材料的负电磁参数构造高阻抗表面，可以实现薄板电磁波吸波结构; 又如，利用该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等等。特别是利用电磁超材料的强谐振损耗性质，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可实现完全吸波。据此设计制备的吸波结构，理论上可实现 100% 吸波，实验上微波吸收率已达到88% 。
由于电磁超材料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。通过合理设计电磁超材料的电磁参数，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。实验上已经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。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。
由于电磁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。