超材料研究现状与应用探讨

2017-05-22 来源:电科防务研究作者:韩长喜 我要评论(0) 字号:

2017年3月10日技术评论网站报道,美国杜克大学搭建了基于动态超表面孔径的合成孔径雷达,并进行了2D和3D成像测试。该系统灵活、高效、价格便宜,生成的图像质量不低于传统合成孔径雷达。

一、系统组成和工作原理

杜克大学动态超表面孔径合成孔径雷达天线由互补、谐振的超材料单元组合的微带线构成,每一超材料单元包含两个偶极子,与外部控制电路相连,超材料单元的谐振可通过偏置电压进行衰减控制。动态超表面孔径的每一谐振电路发射并接收某一特定的频率,工作频率也可通过调谐电路的电子特性进行更改,类似于无线电调谐器。孔径产生的总辐射方向图是每一单个辐射器的辐射方向图的叠加。通过给控制电路施加不同的电压,可接通部分辐射单元,形成不同指向、不同形状的方向图,并可为每一波束选择特定的工作频率。动态超表面提供的灵活性能够给合成孔径雷达带来多种能力,可形成窄波束增强信号强度,在方向图上形成零点回避干扰,也可使用宽波束观察大范围区域,甚至可以同时形成多个波束探测多个位置。由于动态超表面可以大批量低成本印制,将会显著降低雷达的成本。

超材料孔径雷达原理示意图

二、超材料(Metamaterial)的概念和特性

超材料概念来源于1968年前苏联理论物理学家菲斯拉格观察到的介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学特性与常规材料不同的现象和理论预测。目前,超材料的一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,是将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特征的人造结构材料。典型的超材料包括 “左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。

“超材料”开启新世界大门

“超材料”具有天然材料所不具备的特殊性质,这些性质来自人工的特殊结构。超材料由亚波长人工结构单元作为基本单元构成,单元间隔为微米量级,将人工原子和人工分子单元通过不同的结合和排列,可设计制造出各种物理特性的超材料。超材料的特征可归纳为以下三个方面。一是超材料是人工合成材料;二是超材料具有自然界材料所不具备的超常物理性质,三是超材料的性质不是由其基本构成材料决定,而是取决于人工结构,可人为设计、任意控制。

具备人工特殊结构的“超材料”

三、超材料的研究现状

超材料技术的研发引起了发达国家政府、学术界、产业界的高度重视。美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,2010年《科学》杂志将超材料列入本世纪前十年10项重要科学进展之一。美国国防部专门启动了超材料研究计划;英特尔、AMD和IBM等6家公司成立了联合基金;欧盟和日本也制定研究计划投资研究。

折射率为负的“超材料”

2001年,美国加州大学在实验室制造出世界上第一个负折射率超材料样本,并实验证明了负折射现象与负折射率。2002年,麻省理工学院从理论上证明了“左手材料”存在的合理性,预言了这种人工材料在高指向天线、微波波束聚焦、电磁波隐身等方面的应用前景;2006杜克大学制造了能在光波下隐形的“隐身外衣”;2009年出现了宽频段的隐身衣;2010年发现电磁黑洞。

隐形外衣

德国科学家使用“径直激光平版刻录”技术制成红外隐身材料片,荷兰制造出力学可编程智能橡胶,可以像海绵一样变硬或者变软,甚至在挤压下在软硬状态间快速转变。我国在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面,取得了多项原创性成果。

超材料镜头

四、超材料的应用

目前左手材料、光子晶体和缺陷地结构等超材料已取得重要进展。左手材料可用于制造高指向性天线、反向波天线,用于聚焦微波波束,实现“完美透镜”,或用于电磁波隐身及制造各种新型微波器件。左手材料用于微带天线,可有效抑制天线边沿辐射,减少天线阵元间的干扰,抑制谐波的产生,突破传统微带天线半波长电尺寸的束缚,使小型化设计成为可能;左手材料用于天线罩,负折射率特性将使穿过其中的电磁波只能在垂直方向附近的小角度内传播,其他方向的传播将受到限制,有利于天线辐射波束的汇聚,减小天线的波瓣宽度,提高天线的方向性;左手材料还可用于移相器和滤波器的设计。光子晶体器件可人为控制光子的流动,可制造光子晶体光纤、光子晶体微带天线、光子晶体滤波器等,具有低损耗、大带宽、高增益等性能。缺陷地传输线在底层金属接地面上刻蚀一定图形,通过扰乱屏蔽电流的分布来影响表层微带线传输特性,具有高阻抗、慢波特性,能够提高天线的辐射效率和极化隔离度,降低相邻天线单元之间的耦合,实现移相器的小型化。

平面电磁波传播的示意图  (a)在正常材料中(b)在左手材料中

超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广泛,应用范围覆盖工业、军事、生活等各个方面。特别是电磁超材料,可以用于隐身衣、电磁黑洞、慢波结构等元器件的制作,用于超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通信天线、无人机雷达、声学隐身,对未来的通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。

军用雷达

在雷达领域,通过将金属微结构印制在柔性基底上制备超材料薄膜,利用超材料的频率选择和负折射率特性,可以制造隐身涂层,实现射频隐身,提高雷达战场生存能力。同时,通过对线路施加不同电压可以主动控制波束,达到移相器的作用,可以根据不同环境对波束进行不同调制,提高探测距离、分辨能力,并规避周围信号干扰,提高雷达作战效能。另外,超材料还将给予雷达共形能力,实现智能蒙皮,在发挥雷达功能的前提下不改变现有装备外形特征,不影响现有装备动力学性能。

五、超材料的影响

超材料在国防中的应用

当前广泛使用的各类常规材料都是建立在天然材料所具有性质的改进和提高上的,随着材料设计和制造水平的不断提高,对天然材料的各种性质和功能的进一步发掘利用的空间已逐渐缩小,并最终趋于极限。超材料的提出将会给新材料的设计与开发带来新的机会,给雷达、通信、电子战、隐身武器等的功能性能带来新的变革。

感谢编译/述评:中国电科十四所  韩长喜

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