电磁超材料-一种全新的吸波材料

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。2001 年首先在实验上验证了微波频段的负折射现象而被美国《科学》周刊评选为 2003 年世界科学成就之一。由此可构成特别的透镜，可以突破传统透镜的衍射极限，对电磁波近场进行成像，从而获得远小于波长的超分辨率。

　　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  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。以新型人工电磁材料为基础的新概念电磁波隐身理论和实验验证再次被美国《科学》杂志评为 2006 年的科技突破之一。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。