雷達(dá)波屏蔽隱身與光學(xué)透明兼容技術(shù)研究進(jìn)展

石曉飛，侯煥然，金揚(yáng)利，黃友奇，王衍行，祖成奎

(中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各類電子儀器、設(shè)備在軍事和社會(huì)生活中的應(yīng)用日益廣泛，電磁波的屏蔽、隱身、抗干擾問題也應(yīng)運(yùn)而生。其中，在一些具體的應(yīng)用場(chǎng)景如飛機(jī)艙室玻璃、機(jī)站窗口等，要求吸波材料不僅要具有良好的吸收性能，還要保持良好的透光性。因此，超寬帶性能和高透光率材料的研究與開發(fā)成為電磁隱身屏蔽材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[1-2]。

微波吸收是雷達(dá)截面積(radar cross section，RCS)減小的有效途徑，然而，傳統(tǒng)的吸波材料(如碳粉、鐵氧體等)一般不具有光學(xué)透過性，這嚴(yán)重限制了其在透明場(chǎng)景的應(yīng)用。目前，光學(xué)透明電磁屏蔽通常是利用透明導(dǎo)體反射入射電磁波來實(shí)現(xiàn)的。透明導(dǎo)電薄膜是一種具有高導(dǎo)電性和高透光率的基礎(chǔ)光電材料，被廣泛應(yīng)用于光電子器件。典型的透明導(dǎo)體有鋁摻雜氧化鋅(AZO)、銦錫氧化物(ITO)、銀(Ag)、金(Au)等。其中，ITO薄膜是一種n型半導(dǎo)體材料，具有高的導(dǎo)電率、高的可見光透過率、高的機(jī)械硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是透明導(dǎo)電領(lǐng)域(尤其是高頻領(lǐng)域)使用最廣泛的電阻材料。在可見光范圍內(nèi)，ITO薄膜的透光率與導(dǎo)電性成反比，也就是說，ITO薄膜厚度越大，電磁波吸收性能(尤其對(duì)于低頻電磁波)越好，透光率則降低。用于飛機(jī)視窗的材料需同時(shí)具有高透光率和強(qiáng)吸波性能，ITO薄膜在用作飛機(jī)視窗材料時(shí)面臨著極大難度，往往需要通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸優(yōu)化、與其他材料復(fù)合等策略來改善[3-5]。因此，一系列新型透明導(dǎo)電材料應(yīng)運(yùn)而生，如金屬網(wǎng)柵、金屬(Ag等)納米線、石墨烯復(fù)合導(dǎo)電薄膜等。

透明導(dǎo)電金屬網(wǎng)柵薄膜作為一種新型透明導(dǎo)電膜兼具材料與結(jié)構(gòu)兩方面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，具有較好的抗彎折性，因此金屬網(wǎng)柵被視為替代ITO薄膜的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。但是，由于金屬線遮攔光學(xué)頻段，金屬材料抗激光損傷閾值低，還不能滿足位相光柵的衍射條件，這也是其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中存在的問題[6-7]。石墨烯(單層或少層)是一種光學(xué)透明材料，在較低頻率下導(dǎo)電性良好，結(jié)合玻璃等透明基底材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，石墨烯在光學(xué)透明吸波方面有很大的應(yīng)用潛力，然而，在實(shí)際應(yīng)用上也存在一些缺陷和障礙，如單層石墨烯對(duì)電磁波的吸收有限,大面積高質(zhì)量石墨烯生長(zhǎng)困難等[8-10]。近年來，人們提出了人工結(jié)構(gòu)材料-超材料來調(diào)控電磁波、光學(xué)和等離激元波的傳播，在亞波長(zhǎng)尺度上為工程光-物質(zhì)相互作用提供了前所未有的研究選項(xiàng)，在透明基底或透明導(dǎo)薄膜上有效設(shè)計(jì)超材料吸波體的幾何參數(shù)，可同時(shí)有效調(diào)控其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，在一定頻率下實(shí)現(xiàn)近完美的電磁波吸收。在超材料結(jié)構(gòu)中，單一結(jié)構(gòu)的吸收帶寬比較窄，為了展寬頻帶，大多數(shù)研究者使用多層復(fù)合超材料和單層不同微結(jié)構(gòu)材料來實(shí)現(xiàn)雙波段或多波段吸收電磁波，拓展吸收帶寬。超材料的電磁性能主要取決于層上排列的周期性諧振單元，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)，周期性諧振單元的精確對(duì)位將極大地影響到材料的電磁性能，因此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和大面積精密加工是超材料實(shí)現(xiàn)特定透明吸波性能的關(guān)鍵和難點(diǎn)[11-14]。

一般而言，透明導(dǎo)電材料的光學(xué)性能和電磁性能是一對(duì)相互矛盾的關(guān)系，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透光率和強(qiáng)電磁屏蔽/吸收性能，對(duì)材料特性和制備手段等都有嚴(yán)苛的要求。因此，在設(shè)計(jì)透明吸波體時(shí)，需要不同材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)手段等多方面的配合來滿足實(shí)際需求。本文歸納了近年來雷達(dá)屏蔽隱身與光學(xué)透明兼容技術(shù)的最新研究進(jìn)展，分析了不同材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)與不足，為高效實(shí)現(xiàn)透明屏蔽隱身提供思路和參考。

1 ITO、金屬網(wǎng)柵及其他透明吸波材料與技術(shù)

1.1 ITO基材料及復(fù)合結(jié)構(gòu)

在保證光學(xué)透明度的基礎(chǔ)上，利用ITO電阻薄膜構(gòu)建諧振結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)高歐姆損耗，拓寬諧振帶寬，可顯著提高材料在寬電磁頻帶內(nèi)的吸收能力。吸收機(jī)理主要是電路諧振，與電磁諧振相比，電路諧振更容易實(shí)現(xiàn)。

中北大學(xué)張斌珍團(tuán)隊(duì)提出了一種基于ITO薄膜的復(fù)合諧振結(jié)構(gòu)來構(gòu)建具有超寬帶吸收特性的光學(xué)透明吸波體[15]。復(fù)合諧振結(jié)構(gòu)由十字形和方形環(huán)交叉排列而成，與單一周期結(jié)構(gòu)相比，提高了諧振質(zhì)量，表現(xiàn)出寬帶吸收特性。吸波體由三部分組成,頂部為周期性ITO諧振結(jié)構(gòu)濺射在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上，中部為透明介質(zhì)層，如空氣、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，底部為連續(xù)ITO襯底濺射在另一PET襯底上，形成三明治結(jié)構(gòu)(見圖1(a))。所有構(gòu)成材料都具有優(yōu)良的光學(xué)透過性能，大大提高了整體透明度。吸波體在8～30.3 GHz寬頻帶內(nèi)的吸收率達(dá)到90%以上，可覆蓋機(jī)載和監(jiān)視雷達(dá)信號(hào)頻率的X和Ku波段。此外，在不改變諧振結(jié)構(gòu)模式的情況下，研究者分別用柔性PDMS和剛性PMMA介質(zhì)層代替中間空氣層，測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，可分別應(yīng)用于有共性需求的場(chǎng)景和隱身軍備窗口玻璃，為透明隱身系統(tǒng)和電子射頻應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更多的靈活性選擇。最近，該團(tuán)隊(duì)又通過疊加多層高透過率ITO電阻薄膜，設(shè)計(jì)了一種基于柔性多層結(jié)構(gòu)的透明超寬帶微波吸收諧振結(jié)構(gòu)[16]。該諧振結(jié)構(gòu)由ITO在柔性襯底PET上的電阻薄膜圖案構(gòu)成，調(diào)整諧振層ITO圖形尺寸和陣列位置排列使吸收率大于90%，此時(shí)超寬頻吸收頻率范圍增加至8.6～75.8 GHz，相對(duì)吸收帶寬達(dá)到159%。同時(shí)，采用透明的柔性介質(zhì)PDMS和PET襯底，體系獲得了良好的光學(xué)透過率(見圖1(b))。由于阻性薄膜共振模式的四重對(duì)稱性，吸波體表現(xiàn)出較高的偏振不敏感性，當(dāng)入射角增加到40°時(shí)，對(duì)TE和TM極化波的吸收率大于80%。該諧振結(jié)構(gòu)吸波體具有超寬帶吸收特性和寬入射角穩(wěn)定性，在雷達(dá)隱身系統(tǒng)和透明電磁屏蔽等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。西安交通大學(xué)陳娟課題組也采用類似的方法，利用ITO多層膜結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，在3～24.5 GHz對(duì)TE波和TM波吸收率均達(dá)80%以上，對(duì)斜入射波具有偏振不敏感性和自適應(yīng)特性[17]。在此基礎(chǔ)上，他們以PVB和玻璃為襯底制備了超寬帶透明吸波體，新奇之處在于可通過玻璃來調(diào)節(jié)吸波體與空氣之間的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)超寬帶吸波[18]。國外的學(xué)者也提出過類似的設(shè)計(jì)思路。Sheokand等[19]提出了一種基于叉指電容諧振器的偏振不敏感光學(xué)透明寬帶吸收器。通過準(zhǔn)分子激光微加工技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在柔性PET表面制備了叉指電容(IDC)結(jié)構(gòu)的ITO薄膜，如圖1(c)所示，利用該結(jié)構(gòu)有效調(diào)制表面電導(dǎo)率，優(yōu)化阻抗匹配，使吸收帶寬顯著增加，在4～17.20 GHz保證了90%以上的吸收率，覆蓋C、X和Ku波段，相對(duì)帶寬達(dá)到124.53%。該結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出較高的偏振不敏感性，在40°入射角下仍保持了85%以上的TE和TM極化波吸收率。

諧振結(jié)構(gòu)在寬電磁頻帶內(nèi)高吸收的機(jī)理主要是電路諧振，與電磁諧振相比，諸如上文所述的電路諧振更容易實(shí)現(xiàn)。西安電子科技大學(xué)史琰課題組[20]設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)利用電磁諧振和電路諧振來實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明的寬帶微波吸收結(jié)構(gòu)，如圖1(d)所示，吸收單元是帶有空氣間隔層的兩層結(jié)構(gòu)，每一層都是由ITO薄膜、PET片材和PMMA基底組成的夾層結(jié)構(gòu)，頂層設(shè)計(jì)了齒形ITO薄膜，底層則采用方形ITO薄膜。吸波體在4.8 GHz和13.6 GHz處產(chǎn)生兩個(gè)諧振頻率，分別對(duì)應(yīng)電磁諧振和電路諧振，寬吸收帶頻率為3.86～15.04 GHz，覆蓋S、C、X和Ku波段，分頻帶寬為118.3%。他們提出的吸收體具有低剖面、偏振不敏感和角穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，制作的吸收體樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。

圖1 不同的諧振結(jié)構(gòu)示意圖。

前述基于ITO的諧振結(jié)構(gòu)的新穎之處在于具有較大的吸收帶寬、較低的厚度以及在較寬入射角范圍內(nèi)的高吸收能力。這是因?yàn)镮TO是一種阻變材料，主要通過ITO產(chǎn)生的歐姆損耗實(shí)現(xiàn)高吸收，通過設(shè)計(jì)諧振結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射電磁波的有效吸收而不是偏振轉(zhuǎn)換。

ITO基透明吸波體一般在薄的PET、PMMA、PDMS、PVC或PVB等透明介質(zhì)上圖形化的ITO拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成。在典型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，不同方塊電阻的ITO片可分別充當(dāng)頂層拓?fù)浜捅嘲?，具有小方塊電阻的ITO薄膜則像金屬一樣工作，這樣可以保證傳輸能量盡可能小。而在多層設(shè)計(jì)中，頂、底“透明介質(zhì)-ITO薄膜”分別采用空氣或PMMA等材料進(jìn)行分離，這樣，透明吸波體除了具有光學(xué)透明特性外，還具有寬吸收帶寬、薄厚度、偏振不敏感和入射角穩(wěn)定性等優(yōu)良性能。

中國科學(xué)院大學(xué)羅先剛團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由三層ITO薄膜和兩層PVC基片間隔而成的靈活透明的微波-紅外雙隱身結(jié)構(gòu)[21]，如圖2(a)所示，頂層ITO薄膜是同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外波段低發(fā)射率和微波波段高透明性的紅外屏蔽層，采用周期性阻性貼片陣列構(gòu)建的中間層ITO薄膜作為微波吸收層，底層ITO薄膜與頂層ITO薄膜具有相同的表面電阻，作為微波吸收層的背反射鏡。所有ITO薄膜均沉積在超薄PET襯底上，采用兩種相同厚度的PVC基片作為間隔層，以支撐光學(xué)透明性好、柔性大的ITO薄膜。該結(jié)構(gòu)具有寬角度(40°)、寬頻帶(7.7～18 GHz)、高效率(>90%)的吸收特性。此外，利用該結(jié)構(gòu)覆蓋金屬柱，在7.5～18 GHz，雷達(dá)截面可降低10 dB。該結(jié)構(gòu)在紅外大氣窗口內(nèi)的熱發(fā)射率約為0.23，與金屬接近。該結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)微波波段的高吸收、紅外波段的低發(fā)射和光學(xué)透明。類似地，南京航空航天大學(xué)王毅課題組[22]通過在柔性PET層上刻蝕多層周期性ITO結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超寬帶電磁吸收。吸收單元為四層結(jié)構(gòu)(見圖2(b))，每層結(jié)構(gòu)均由阻性ITO薄膜結(jié)構(gòu)組成，并由PET層支撐，上三層由兩個(gè)大小不等的方形環(huán)片組成，這些結(jié)構(gòu)都是由方塊電阻為100 Ω/sq的ITO薄膜制成，底層采用方塊電阻為6 Ω/sq的ITO薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的反射式金屬基板。該電磁吸收體在3.72～42.42 GHz具有90%以上的吸收率，覆蓋從C波段到Ku波段的超寬頻帶，具有偏振不敏感性和角穩(wěn)定特性，可以更好地用于寬帶電磁隱身。

除了多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單夾層結(jié)構(gòu)的ITO基透明吸波材料也具有優(yōu)異的性能。西北工業(yè)大學(xué)殷小瑋團(tuán)隊(duì)[23]設(shè)計(jì)了一種將雙層交叉圖案ITO薄膜夾在兩個(gè)透明柔性PVC層中的夾層結(jié)構(gòu)(見圖2(c))，夾層元結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)吸波材料與自由空間的阻抗匹配，減小電磁波在表面的反射，交叉圖案周期性排列的ITO電阻膜可誘導(dǎo)高歐姆損耗，拓寬諧振的帶寬。當(dāng)入射角小于30°時(shí)，該夾層吸收器在8～18 GHz對(duì)TE和TM波偏振均能實(shí)現(xiàn)90%以上的吸收。在波長(zhǎng)大于532 nm時(shí)，光學(xué)透過率達(dá)到80%以上，在可見光的整個(gè)波長(zhǎng)范圍(400～800 nm)內(nèi)的平均光學(xué)透過率為80.2%。北京大學(xué)固體力學(xué)研究所采用由兩層ITO和一層中間玻璃組成的夾層結(jié)構(gòu)，制備了一種透明、電調(diào)諧的透明吸波電磁防護(hù)和隱身材料[24]。吸收器由三層結(jié)構(gòu)組成(見圖2(d))，頂層為表面電阻為3.13 Ω的圖形化ITO，中間層為玻璃基板，底層為與頂層表面電阻相同的完整ITO層，有效工作頻率范圍在S波段，覆蓋了WiFi等眾多電子設(shè)備的共同頻段。而且，這種材料的吸波性能可以通過改變外加電壓來實(shí)現(xiàn)電子可調(diào)，主吸收峰可高達(dá)90%，可調(diào)幅度范圍為30%，可調(diào)頻帶范圍為1 GHz。樣品在可見光下的透過率為80.23%，在2.6～3.95 GHz頻段，電磁屏蔽效能大于30 dB。頻率可調(diào)諧是該材料的特別之處,類似“ITO/介電/ITO”夾層的結(jié)構(gòu)通過適當(dāng)調(diào)整ITO的結(jié)構(gòu)參數(shù)和方塊電阻，實(shí)現(xiàn)了大于90%的寬微波吸收帶(5.8～8.3 GHz)，通過調(diào)節(jié)ITO部分的填充比例，獲得了0.52的低發(fā)射率，也就是說，不需要特殊的紅外屏蔽層來降低紅外輻射，可實(shí)現(xiàn)透明-雷達(dá)-紅外隱身兼容[25]。此外，國內(nèi)外其他學(xué)者還設(shè)計(jì)了“方形ITO薄膜貼片/蘇打石灰玻璃/PEC”夾層結(jié)構(gòu)、“ITO涂層PET片/PDMS/ITO涂層PET片”夾芯結(jié)構(gòu)、“ITO開環(huán)結(jié)構(gòu)PET片/PMMA/連續(xù)ITO薄膜PET片”三明治結(jié)構(gòu)、“方形鏤空ITO層/石英玻璃/方形ITO貼片層”三層結(jié)構(gòu)等夾層體系，都具有較好的光學(xué)透明和寬帶微波吸收性能[26-29]。

圖2 不同的多層、夾層結(jié)構(gòu)示意圖。

增強(qiáng)電磁波吸收的途徑除了對(duì)ITO薄膜進(jìn)行圖形化和復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有對(duì)ITO材料組成進(jìn)行調(diào)控。例如采用非平衡磁控濺射的方式對(duì)ITO進(jìn)行鈮摻雜來實(shí)現(xiàn)隱身效果，研究發(fā)現(xiàn)，具有外形隱身效果的鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS曲線分布規(guī)律與對(duì)應(yīng)金屬板基本一致，且在不同入射頻率、不同極化情況下均具有外形隱身效果[30]。

1.2 金屬網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)

金屬網(wǎng)柵是具有一定周期、線寬等參數(shù)的導(dǎo)電網(wǎng)柵狀微細(xì)結(jié)構(gòu)，由于其周期遠(yuǎn)小于電磁波長(zhǎng)，因此網(wǎng)柵有電磁屏蔽的功能；而其周期遠(yuǎn)大于近紅外/可見光波長(zhǎng)，對(duì)光學(xué)性能影響較小，因此網(wǎng)柵能夠在屏蔽電磁波的同時(shí)保證一定的透光性。金屬網(wǎng)柵一般利用銀等金屬材料在玻璃或PET薄膜上制備由相互連接的金屬線構(gòu)成的網(wǎng)柵圖案，結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料選擇具有多樣性，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的透光性和電磁屏蔽效能，是目前理想的透明電磁屏蔽技術(shù)解決方案之一[6-7,31-32]。

青島理工大學(xué)蘭洪波課題組[33]結(jié)合微尺度增材制造工藝和高性能納米銀漿的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積3D打印制造大尺寸、高性能金屬網(wǎng)柵透明電磁屏蔽玻璃的新方法(見圖3(a))。通過試驗(yàn)揭示了打印速度對(duì)金屬網(wǎng)柵(線寬和形貌)的影響規(guī)律和打印金屬網(wǎng)柵線寬、周期對(duì)光學(xué)透過率、電磁屏蔽效能的影響規(guī)律。以高銀含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%)的納米銀漿(黏度高達(dá)20 000 mPa·s)為打印材料，在玻璃基板上制造出大面積金屬網(wǎng)柵(100 mm×100 mm，線寬20 μm)。其中，當(dāng)金屬網(wǎng)柵周期分別為500 μm、300 μm和150 μm時(shí)，網(wǎng)柵的可見光透過率分別為88%、83%和67%，對(duì)應(yīng)的常用中高頻電磁波的屏蔽效能為26 dB、30 dB和37 dB。與現(xiàn)有使用納米壓印、光刻、激光直寫等技術(shù)制造金屬網(wǎng)柵透明電磁屏蔽玻璃相比，該方法工藝步驟簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)透明電磁屏蔽玻璃的大面積、高效、低成本和批量化制造，尤其能同時(shí)兼顧高可見光透過率和強(qiáng)電磁屏蔽效能，為大尺寸、高性能透明電磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了一種全新的解決方案。西安工業(yè)大學(xué)徐均琪團(tuán)隊(duì)[34]采用光刻掩膜技術(shù)、電阻熱蒸發(fā)沉積技術(shù)，在理論分析的基礎(chǔ)上，借助CST Studio Suite電磁仿真軟件設(shè)計(jì)，探究了網(wǎng)柵制備的最佳工藝，分析了線寬和周期對(duì)網(wǎng)柵透光率和屏蔽效能的影響。在12～18 GHz，金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能達(dá)到12 dB以上，透射率損耗大約8%(見圖3(b))。新加坡南洋理工大學(xué)的Lee等[35]在鈉鈣玻璃表面，采用高光學(xué)透過率的金屬網(wǎng)格制作透明電極，并與ITO相結(jié)合，制備出一種X波段寬帶吸收性能穩(wěn)定和光學(xué)透過率高的透明吸波結(jié)構(gòu)(見圖3(c))。

圖3 網(wǎng)柵制備基本原理及網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)示意圖。

實(shí)際上，在電磁仿真模擬所用的金屬網(wǎng)柵膜光電特性公式中，材料無限導(dǎo)電的假定條件與客觀事實(shí)不符，無法準(zhǔn)確預(yù)估薄膜型金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能。即便采用電導(dǎo)率較高的金屬材料，在20 GHz以下的頻段，薄膜型金屬網(wǎng)柵的厚度也難以達(dá)到材料的趨膚深度，而且薄膜型金屬網(wǎng)柵往往與光學(xué)基底間有連接層，金屬網(wǎng)柵的外層也需制作環(huán)境保護(hù)層(或氧化層)，鍍膜工藝形成的金屬層與塊狀材料電導(dǎo)率的差異較大，因此，用材料無限導(dǎo)電理論模型準(zhǔn)確預(yù)估薄膜型金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽效能是極其困難的。為尋求準(zhǔn)確評(píng)估薄膜型金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽效能的方法，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所馮曉國團(tuán)隊(duì)[36]探索了薄膜型金屬網(wǎng)柵在某頻段的電磁屏蔽效能。根據(jù)屏蔽效能受感應(yīng)電壓和電阻比控制的理論，借鑒連續(xù)導(dǎo)電膜用方塊電阻計(jì)算屏蔽效能的方法，提出了預(yù)估薄膜型金屬網(wǎng)柵屏蔽效能的方法并給出了具體步驟。采用激光直寫工藝流程制備了薄膜型金屬網(wǎng)柵，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

此外，在改善金屬網(wǎng)柵視野方面，研究者也做了探索。中國電子科技集團(tuán)第三十三研究所馬志梅等[37]采用納米復(fù)合電鍍工藝，將碳納米管均勻地附著在金屬網(wǎng)柵表面，發(fā)現(xiàn)金屬網(wǎng)柵在10 kHz～1 GHz頻段的電磁屏蔽效能提高了3～5 dB，可見光透光率降低了5%，金屬光澤有所消除，有效改善了可視性能。采用納米壓印和劃痕填充技術(shù)制備的MXene網(wǎng)柵雷達(dá)隱身薄膜，在X波段具有良好的透明性和較高的透波率，同時(shí)，這種柔性薄膜也能適應(yīng)復(fù)雜表面的需求[38]。除了規(guī)則的金屬網(wǎng)柵，有研究者巧妙利用裂紋模板法制備隨機(jī)網(wǎng)格狀金屬網(wǎng)柵透明導(dǎo)電薄膜，即用水性丙烯酸樹脂稀釋液作為掩膜液，將掩膜液涂覆在玻璃基板上形成薄膜，干燥后得到開裂模板，然后采用磁控濺射法進(jìn)行金屬沉積，最后洗去掩膜層得到隨機(jī)網(wǎng)格狀金屬網(wǎng)柵。所制備網(wǎng)柵在紫外可見光波段透過率大于90%，方塊電阻為20 Ω/sq。與傳統(tǒng)制作方法相比，這種方法的制作成本更低，工藝更簡(jiǎn)單，透光率高[39]。

1.3 其他材料與技術(shù)

除了ITO和金屬網(wǎng)柵，研究者們還開發(fā)了其他用于透明和電磁波吸收功能的薄膜材料。

石墨烯具有對(duì)頻率敏感的表面阻抗和可調(diào)諧的電導(dǎo)率，在太赫茲波段有廣泛應(yīng)用。石墨烯薄膜的光學(xué)透過率在95%以上，大于現(xiàn)有的吸收薄膜,其高熱導(dǎo)率(5 000 W/mK)有利于吸收高功率微波，其超薄厚度(只有一個(gè)原子厚度)有利于緊湊設(shè)計(jì)。上海交通大學(xué)朱衛(wèi)仁團(tuán)隊(duì)提出了一種基于石墨烯的光學(xué)透明、吸收可調(diào)的吸收器，吸收體由ITO薄膜背面的花紋石墨烯夾層結(jié)構(gòu)制成(圖4(a))[40]。與其他基于ITO等透明電阻材料的光學(xué)透明表面不同，石墨烯的片層電阻可以通過對(duì)夾層結(jié)構(gòu)施加偏壓來控制，從而實(shí)現(xiàn)不同工作波段的動(dòng)態(tài)可調(diào)吸收。結(jié)果顯示，該材料在7～18 GHz可獲得90%以上的微波吸收。此外，該吸收體具有柔性，厚度僅為自由空間波長(zhǎng)的1/15，有利于緊湊和復(fù)合設(shè)計(jì)。韓國中央大學(xué)的學(xué)者利用噴墨打印技術(shù)在PET基底上制備了透明導(dǎo)電環(huán)狀石墨烯薄膜，并在底表面引入了光學(xué)透明的ITO導(dǎo)電膜，制備了一種光學(xué)透明超材料吸收器[41]。該結(jié)構(gòu)在26.8～28.2 GHz吸收率達(dá)90%，并具有良好的光學(xué)透明性和偏振不敏感性，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(b)所示。噴墨打印技術(shù)具有成本低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但基于此技術(shù)制備的石墨烯基吸波體的有效吸波頻段太窄，難以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，仍需要進(jìn)一步研究。

二氧化鈦(TiO2)在可見光和紅外波段具有良好的透明度和穩(wěn)定性，TiO2還可在提高紅外吸收的同時(shí)，不降低材料的微波吸收性能；BaTiO3具有優(yōu)異的吸波性能，在微波頻段介電常數(shù)ε=2 500；Fe3O4是一種常用的磁性氧化物，在EMI屏蔽方面具有良好的應(yīng)用前景。最近，新加坡理工大學(xué)的學(xué)者利用這三種材料，通過高介電常數(shù)、高磁導(dǎo)率氧化物材料的疊層包覆，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)可見光波長(zhǎng)至近紅外信號(hào)的良好微波屏蔽設(shè)計(jì)。制備過程為：在丙烯酸基片上沉積由BaTiO3-TiO2和Fe3O4-TiO2組成的可見光和紅外波段的光學(xué)透明薄膜，再對(duì)膜層進(jìn)行水蒸氣處理進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而獲得光學(xué)性能和電磁性能最佳的材料[42]。新加坡理工大學(xué)的Soh等[43]采用濺射制備的高可見光和近紅外透過率TiO2基氧化物可以有效降低吉赫茲波段的S11參數(shù)，BaTiO3的高介電常數(shù)可大大提高氧化物涂層穹頂?shù)目狗瓷湫阅?特別是雷達(dá)X波段)，適合用作近微波區(qū)高頻率抗干擾電磁屏蔽層。

具有可操控特性的透明吸波結(jié)構(gòu)，能夠吸收不同變化頻率電磁波，同時(shí)面臨重大挑戰(zhàn)。最近，北京科技大學(xué)開發(fā)了一種新型聚合物水凝膠作為光學(xué)透明和吸波材料[44]，如圖4(c)所示，以光學(xué)透明PMMA三明治結(jié)構(gòu)為骨架，制備聚乙烯醇(PVA)水基凝膠(作為微波吸收和光學(xué)透明的活性材料)，底部為ITO基微波反射板。在該結(jié)構(gòu)中，極性網(wǎng)絡(luò)在電磁能量衰減方面發(fā)揮了重要作用，即通過操縱氫鍵網(wǎng)絡(luò)，得到的光學(xué)透明固態(tài)凝膠能夠提供吸收微波能力。有趣的是，當(dāng)溫度降低時(shí)，這種凝膠可以通過將非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)不透明狀態(tài)，從而使夾層窗口在15～40 GHz具有優(yōu)異的吸波能力，覆蓋5G頻段的分支。這項(xiàng)工作為利用離子導(dǎo)電凝膠設(shè)計(jì)和制備可操控微波隱身結(jié)構(gòu)提供了一種新的策略。還有報(bào)道利用液體介質(zhì)制備出了一種液控可調(diào)透明吸波結(jié)構(gòu)[45](見圖4(d))這種結(jié)構(gòu)由透明PMMA介質(zhì)層、上液體介質(zhì)填充層、雙方環(huán)FSS、下液體介質(zhì)填充層和導(dǎo)電底板構(gòu)成，液體介質(zhì)采用礦物油白油和鹽水，液體介質(zhì)中添加顏料可改變結(jié)構(gòu)顏色，實(shí)現(xiàn)變色光學(xué)偽裝的目的；調(diào)節(jié)鹽含量可改變鹽水電導(dǎo)率，結(jié)合注入方式可有效提高吸波結(jié)構(gòu)吸收率變化的動(dòng)態(tài)范圍。吸波結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)吸波效果和吸波頻段的調(diào)控，同時(shí)還有望應(yīng)用于光學(xué)、紅外和雷達(dá)多波段融合偽裝裝備。

圖4 其他材料結(jié)構(gòu)示意圖。

基于多層超薄Ag薄膜，多倫多大學(xué)的Safari等[46]在理論和試驗(yàn)上研究論證了一種光學(xué)和射頻透明亞玻璃結(jié)構(gòu)，如圖4(e)所示。這種結(jié)構(gòu)以玻璃為基片，玻璃兩面由相同的蜂窩狀網(wǎng)狀圖案組成，網(wǎng)狀中使用多層金屬-介質(zhì)光譜選擇性涂層，利用兩側(cè)可見透明的Ag基導(dǎo)電涂層，改變玻璃基底在射頻光譜中的電磁特性：采用多層介質(zhì)-金屬涂層，特別是5層光譜選擇性涂層，可以在保持可見光透明性的同時(shí)增強(qiáng)元玻璃的射頻透明性。該研究為利用多層金屬介電光譜選擇性涂層設(shè)計(jì)新型透明材料性能提供了選擇，其中包括紅外反射和主動(dòng)電調(diào)制的光學(xué)和微波特性。銀納米線也常用于透明導(dǎo)電領(lǐng)域，阿卜杜拉國王科技大學(xué)的Li等[47]在簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的噴墨打印技術(shù)的輔助下對(duì)銀納米線導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖形化，制備的吸波體在X波段9.1～12.2 GHz的吸收率大于90%，在550 nm波長(zhǎng)處的光學(xué)透過率超過83%。

納米復(fù)合材料在電磁屏蔽領(lǐng)域可用于提高結(jié)構(gòu)的電磁吸波性能?；诖?，韓國高等科學(xué)技術(shù)研究院Choi等[48]采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)制備了分散有炭黑(CB)、碳納米管(CNT)等碳質(zhì)納米導(dǎo)電顆粒的玻璃纖維/環(huán)氧納米復(fù)合材料；通過高倍掃描電子顯微鏡觀察碳質(zhì)納米導(dǎo)電顆粒在環(huán)氧樹脂中的分散均勻程度，初步預(yù)選了3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)CB、2.5%CNT、3%CNT和0.3%CNT四組設(shè)計(jì)方案;測(cè)試其X頻段(8.2～12.4 GHz)介電性能發(fā)現(xiàn)平均吸波率均保持在了90%以上；根據(jù)力學(xué)性能測(cè)試，分散有3%CNT的玻璃纖維/環(huán)氧納米復(fù)合材料兼具高吸波性能和高力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(f)所示。

2 基于超材料的光學(xué)透明及電磁屏蔽隱身技術(shù)

與傳統(tǒng)吸波材料不同，超材料是一種人工電磁材料，它以周期性微結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可進(jìn)行人工設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)材料對(duì)電磁特性的局限，為材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制備提供了一個(gè)新的自由度。因此基于超材料的吸波體吸引了學(xué)術(shù)界的極大興趣，通過調(diào)整超材料單元結(jié)構(gòu)，在較小的厚度下，可實(shí)現(xiàn)寬帶吸波特性。

2.1 透明寬帶電磁波吸收超表面

超表面是由分布均勻的亞波長(zhǎng)共振粒子組成的具有操控電磁波能力的人工結(jié)構(gòu)，作為超材料的二維等效，超表面依靠界面場(chǎng)的不連續(xù)性來操縱電磁波的幅值和相位。由于微米以及納米結(jié)構(gòu)的尺寸接近可見光和紅外光的波長(zhǎng)，因此超表面擁有許多自然材料無法實(shí)現(xiàn)的光學(xué)性能，譬如負(fù)折射率、超級(jí)吸收以及超越散射極限的光學(xué)聚焦。這些物理性質(zhì)賦予了超表面巨大潛力，根據(jù)具體應(yīng)用的要求，超表面的光學(xué)響應(yīng)往往需要被設(shè)計(jì)為不同的波段。以下介紹近年來超表面在透明吸波和電磁屏蔽方面的研究及應(yīng)用。

近年來，數(shù)字編碼超表面的概念被提出來，它是用數(shù)字來描述電磁特性。在數(shù)字編碼超表面中，采用二進(jìn)制編碼來計(jì)算編碼粒子的反射相位差，在設(shè)計(jì)不同的編碼序列后，超曲面可以實(shí)現(xiàn)波散射、隨機(jī)擴(kuò)散、反常反射等多種功能。目前，主要利用光學(xué)非透明材料(如常規(guī)介質(zhì)基板上的銅或鋁等)對(duì)編碼超表面開展研究，而光學(xué)透明的超表面具有更多操縱電磁波的能力。東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)提出了一種利用導(dǎo)電ITO薄膜設(shè)計(jì)光學(xué)透明編碼超表面的方法(見圖5(a))[49]；利用周期相位梯度序列設(shè)計(jì)的反常反射編碼超曲面能夠?qū)⒄Ｈ肷涞碾姶挪ǚ瓷涑梢欢ǖ姆闯＝嵌?，通過對(duì)隨機(jī)編碼序列的超表面進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)的隨機(jī)擴(kuò)散編碼超表面在11.5～12.5 GHz可以實(shí)現(xiàn)至少7.8 dB的后向RCS縮減；仿真和試驗(yàn)結(jié)果的一致性有力地驗(yàn)證了光學(xué)透明編碼超表面對(duì)反常反射和RCS減縮的優(yōu)良能力。該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單、對(duì)電磁波具有良好的控制能力等優(yōu)點(diǎn)，可用于設(shè)計(jì)具有其他新功能的超表面，如偏振轉(zhuǎn)換、超材料吸收體、光學(xué)透明的隱身衣等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦課題組提出了基于遺傳算法的拓?fù)鋬?yōu)化方法，并將其應(yīng)用于柔性透明寬帶超材料吸波體的快速高效設(shè)計(jì)(見圖5(b))[50]；采用二進(jìn)制編碼和實(shí)數(shù)編碼相結(jié)合的方式，縮短了編碼長(zhǎng)度，提高優(yōu)化的收斂速度，實(shí)現(xiàn)了5.3～15 GHz的寬頻帶90%以上的吸收率，其最低截止頻率下的厚度為0.109 λL，TE模和TM模的寬帶吸收分別保持在45°和70°以內(nèi)；該吸波體具有靈活、低剖面、偏振不敏感、斜入射穩(wěn)定和高光傳輸以及寬帶吸收等特性，具有潛在的應(yīng)用前景；拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法可以根據(jù)具體工程需求，快速高效地對(duì)吸收體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電磁多極子能夠在超表面產(chǎn)生豐富的電磁相互作用，并提供另一個(gè)自由度來控制電磁響應(yīng)。華中科技大學(xué)黃黎蓉團(tuán)隊(duì)[51]利用電磁多極干涉工程設(shè)計(jì)了一種光學(xué)透明、柔性和寬帶微波超表面吸收器(見圖5(c))，它由PDMS襯底上ITO亞原子的陣列組成，同時(shí)支持基本電偶極子和高階電四極子模式，其干涉滿足基于廣義Kerker效應(yīng)的后向散射抑制條件，從而在微波波段獲得高吸收。測(cè)試結(jié)果表明，所制備的超表面在4～18 GHz的微波波段具有89%的平均吸收率，在400～1 000 nm平均透過率為71%。

整片連續(xù)的ITO薄膜會(huì)在微波波段引起強(qiáng)烈的反射，為滿足隱身需求，需要將整片ITO薄膜分成離散圖案的形式來抑制微波反射，因此ITO基超表面往往設(shè)計(jì)成各種圖案。東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)在透明基底(PMMA和PET)上設(shè)計(jì)了風(fēng)車狀單元陣列的ITO結(jié)構(gòu)(見圖5(d))[52]，該結(jié)構(gòu)的反射譜具有三個(gè)吸收帶，三個(gè)峰值強(qiáng)烈地依賴于ITO風(fēng)車狀結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同位置的共振模式不同，在8.3～17.4 GHz的寬帶吸收率大于90%，透光率為77%。由環(huán)形單元構(gòu)成的ITO超表面，在28.1～42.8 GHz的吸收率大于90%，實(shí)測(cè)透光率為82%[13]。人工磁導(dǎo)體和理想電導(dǎo)體(perfect electric conductor, PEC)交替排列的棋盤格狀結(jié)構(gòu)可有效減弱后向散射RCS，在這種結(jié)構(gòu)中，磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射相位在共振頻率處具有0°的反射相位，有效地抵消了PEC的反射相位(180°)，從而使入射電磁能量向后向散射方向以外的方向散射?；诖?，新加坡理工大學(xué)的Venkatarayalu等[53]將玻璃基板做成棋盤格表面，用ITO薄膜作為透明導(dǎo)電層，通過調(diào)控導(dǎo)電膜電導(dǎo)率這一關(guān)鍵參數(shù)，得到了具有RCS減縮能力的透明棋盤格圖案表面。在眾多超材料結(jié)構(gòu)中，十字微結(jié)構(gòu)單元不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且還和其他形式的單元結(jié)構(gòu)一樣，通過合理的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多帶與寬帶等吸波，如十字環(huán)島狀圖案的ITO薄膜(見圖5(e))[54]、由十字形和方形環(huán)交叉排列的超表面[15]、ITO Jerusalem十字陣列[55]等。

圖5 超表面設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)示意圖。

單一結(jié)構(gòu)超表面的吸收帶寬比較窄，強(qiáng)烈依賴ITO圖形的結(jié)構(gòu)尺寸，為了展寬頻帶，大多數(shù)研究者使用多層復(fù)合超材料和單層設(shè)計(jì)不同的微結(jié)構(gòu)組合來實(shí)現(xiàn)雙波段或多波段吸收電磁波，拓展吸收帶寬。圖5(f)是由ITO基超表面堆疊而成的復(fù)合超表面結(jié)構(gòu)，不僅可以提供寬帶雷達(dá)和熱紅外兼容低散射功能，而且具有帶內(nèi)微波傳輸窗口和高光學(xué)透明度,專門設(shè)計(jì)用于順序控制紅外發(fā)射、微波吸收和傳輸。在1.5～9 GHz，結(jié)構(gòu)的反射率低于10%，在3.8 GHz附近透射峰達(dá)到50%，在紅外大氣窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了約0.52的低熱發(fā)射率，整體結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)透光率為33%[56]。通過適當(dāng)修改超原子的阻抗和諧振峰來控制微波吸收以實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，在6.28～12.29 GHz對(duì)TE偏振具有大于90%的高吸收率，在7.19～15.26 GHz對(duì)TM極化的吸收率大于90%[14]。此外，在構(gòu)建復(fù)合超表面時(shí)，還可以采用等效電路模型作為跳板進(jìn)行導(dǎo)航設(shè)計(jì)[57]，利用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)層的偏振不敏感特性[58]，采用雙層介質(zhì)基板超表面[59]，調(diào)節(jié)超表面ITO占空比[60]等。

2.2 光學(xué)透明頻率選擇表面

頻率選擇表面(frequency selective surface，F(xiàn)SS)是一種由特定形狀的單元圖形構(gòu)成的一種二維周期陣列的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，它對(duì)電磁波具有一定的頻率選擇性，能夠較好地控制電磁波的傳輸和散射，使入射電磁波發(fā)生全反射或全透射，其本質(zhì)特征是能夠?qū)Σ煌l率、不同入射角和不同激化狀態(tài)的電磁波呈濾波特性。光學(xué)透明FSS具有在光學(xué)波段透明、在雷達(dá)波段選擇性全透射或者選擇性全反射等特性[61]。

FSS可用于雙譜到多譜的兼容設(shè)計(jì)，特別是在雷達(dá)、紅外和可見光的兼容設(shè)計(jì)方面，可以同時(shí)獲得良好的光學(xué)透明度、低紅外發(fā)射率和寬帶微波吸收。這種多光譜工作表面一般包含三個(gè)對(duì)應(yīng)光譜的功能層(見圖6(a))，其中頂層為FSS(一般用ITO陣列代替其他低紅外發(fā)射率金屬來制備FSS)，中層為阻性吸收層，底層為完整的導(dǎo)電片。由于導(dǎo)電面積占有率大，F(xiàn)SS的低通特性使得電磁波可以穿過FSS的中間吸收層，利用微波吸收和相位對(duì)消來減少微波偽裝的反射。據(jù)報(bào)道，以PET和PMMA為基板的結(jié)構(gòu)在12.03～29.43 GHz可實(shí)現(xiàn)>90%的強(qiáng)吸收，在3.0～14.0 μm可同時(shí)實(shí)現(xiàn)約0.3的低紅外發(fā)射率，平均光學(xué)透明度高于90%[11,62]。此外，該結(jié)構(gòu)還可在寬入射角范圍內(nèi)保持良好的角穩(wěn)定性和極化不敏感特性，TE偏振和TM偏振在入射角為45°時(shí)，吸收率≥80%的帶寬均在9 GHz以上[63-64]。基于FSS設(shè)計(jì)的柔性超薄吸透一體化結(jié)構(gòu)能夠在寬入射角范圍內(nèi)吸收任意極化的電磁波，并且在特定頻段內(nèi)具有幾乎透明的透射窗口，在7.7～12.2 GHz的吸收率都能達(dá)到90%，樣品的整體厚度為0.288 mm，超薄的厚度使得該結(jié)構(gòu)柔性可彎曲，易與曲面目標(biāo)共形[65]。

將上述透明材料、FSS和吸收結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)合在一定程度上會(huì)限制性能的相容性，同時(shí)，過多的結(jié)構(gòu)層會(huì)增加器件的質(zhì)量和制造難度。空軍工程大學(xué)利用拓?fù)鋬?yōu)化策略和激光切割技術(shù)優(yōu)化了多頻譜選擇透過和吸收輕質(zhì)FSS結(jié)構(gòu)[66]。圖6(b)為兼容FSS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖，選擇6 Ω/sq FSS ITO薄膜作為紅外反射和微波透射層，6 Ω/sq整體ITO薄膜作為底層，20 Ω/sq優(yōu)化ITO薄膜作為吸收層，襯底是光學(xué)透明材料PMMA，通過激光切割將其掏空，以減輕吸收體的質(zhì)量。整體結(jié)構(gòu)在380～800 nm的透光率達(dá)到78%以上，在3～14 μm的紅外發(fā)射率低于0.24，在C、X和Ku波段(在45°入射TE和TM偏振下均保持較好的性能)的吸收率超過90%。而且，F(xiàn)SS與吸收ITO之間的PMMA大部分已被激光切割鏤空，使頂層結(jié)構(gòu)變輕。以往實(shí)現(xiàn)紅外與微波多光譜兼容的結(jié)構(gòu)大多由紅外屏蔽層和雷達(dá)吸收層組成，利用FSS設(shè)計(jì)功能層能夠得到低紅外發(fā)射和微波吸收兼容的超表面。圖6(c)為紅外-雷達(dá)兼容FSS設(shè)計(jì)原理圖，ITO FSS鍍?cè)赑ET表層，填充率為84.5%，該層可以同時(shí)具有吸波性能和低紅外發(fā)射率，將ITO的電阻設(shè)置為6 Ω/sq，在7.3～10.3 GHz可實(shí)現(xiàn)小于-10 dB的反射，在3～14 μm的紅外區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)0.27的低發(fā)射率，光學(xué)透過率達(dá)到80%以上，整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度僅為2.175 mm[67]。

通過阻性超表面和通帶FSS結(jié)合也可以在寬帶吸收帶內(nèi)得到具有透明窗口的發(fā)射-吸收材料(見圖6(d))[68]，該材料由阻性超表面和由介質(zhì)層隔開的金屬FSS組成，在通帶內(nèi)，入射的輻射通過材料產(chǎn)生極低的反射，在通帶外，F(xiàn)SS需要具有高反射，與阻性超表面形成電路模擬吸收器進(jìn)行寬帶吸收。測(cè)試結(jié)果顯示：在7.5～14.5 GHz，-10 dB的吸收帶寬約為64%；在吸收頻帶內(nèi)，透明窗口在10 GHz左右的透射率高達(dá)-1.7 dB。此外，還有報(bào)道采用金屬網(wǎng)柵和光學(xué)透明FSS一體化設(shè)計(jì)的方法得到了雷達(dá)波與光學(xué)波段雙帶通結(jié)構(gòu)[69]。

2.3 新型水基超材料透明吸波結(jié)構(gòu)

蒸餾水在微波頻率下具有頻散介電常數(shù)和良好的光學(xué)透明度，因此可用于設(shè)計(jì)透明吸波結(jié)構(gòu)。但國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，由于水的本征色散特性，寬帶吸收需要通過梯度或多層水基諧振器的設(shè)計(jì)等策略來實(shí)現(xiàn)[70-72]。

有報(bào)道提出了一種包含空氣層和水層的光學(xué)透明寬帶超材料吸波體(見圖7(a))，可同時(shí)吸收寬帶微波和降低紅外輻射[12]。整個(gè)結(jié)構(gòu)由ITO FSS層、水層、空氣層和ITO反射背板組合而成，頂層為90°圓形和四方星形單元周期性排列，用于微波吸收，基板為PET，上面依次為空氣層和水層，底層為ITO背板。水的引入不僅可以增加微波的吸收，而且通過水循環(huán)控制紅外輻射，還可實(shí)現(xiàn)紅外隱身。該結(jié)構(gòu)能夠在14.4～39.4 GHz頻帶吸收90%以上的寬帶微波，且具有光學(xué)透明特性。

西安交通大學(xué)龐永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)[73]利用水的光學(xué)透明、介電常數(shù)分散和損耗大的特性，制備了用于光學(xué)透明和寬帶微波吸收的水基超材料吸波體。圖7(b)為可調(diào)水基超材料吸波體，選用PMMA為介質(zhì)層，ITO薄膜為背反射面，為了獲得寬的吸收帶寬，蒸餾水設(shè)計(jì)為圓柱體和平板的組合，蒸餾水由PMMA容器和ITO背板封裝。測(cè)試結(jié)果顯示，在6.4～30 GHz可以實(shí)現(xiàn)效率超過90%的寬帶吸收，在可見光區(qū)域的光學(xué)透明度高達(dá)85%左右。類似地，上海光激所張龍也設(shè)計(jì)了由ITO超表面、PMMA基底、水基底和ITO背面依次組成的水基透明吸波窗口(見圖7(c))[74]，其中ITO薄膜為諧振圖案和反射層，蒸餾水與PMMA結(jié)合為介電基底。特別的是，該結(jié)構(gòu)可通過控制水基片的厚度來調(diào)節(jié)吸收性能,在5.8～16.2 GHz的超寬頻帶內(nèi)的吸收率>90%，在波長(zhǎng)為400～800 nm時(shí)平均光學(xué)透過率為70.18%。此外，吸收體具有對(duì)稱的諧振模式，對(duì)TE和TM極化波都具有較高的偏振不敏感性和寬入射角穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，通過注水和放電循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)吸收和反射狀態(tài)切換，即微波吸收態(tài)(TE模式為10.52～20.04 GHz，TM模式為10.52～20.21 GHz)與全波段反射態(tài)(5～26.5 GHz)之間的增強(qiáng)寬帶開關(guān)功能[75]。

圖7 水基結(jié)構(gòu)示意圖。

由于水具有本征色散特性，水基吸波材料的寬帶吸收往往需要設(shè)計(jì)多層水基諧振器，這樣就會(huì)在一定程度上犧牲厚度和輕量化特性。為克服這一矛盾，可在薄水基超表層引入吸收-擴(kuò)散式集成設(shè)計(jì)，在更寬的頻帶內(nèi)明顯降低后向散射?？哲姽こ檀髮W(xué)屈紹波團(tuán)隊(duì)在ITO背面上方設(shè)計(jì)了陣列分布的兩型菱形水基諧振器，一方面，水基陣列的介電常數(shù)具有頻散特性，可以激發(fā)多個(gè)電磁輻射以實(shí)現(xiàn)高效吸收，同時(shí)，預(yù)先設(shè)計(jì)的兩個(gè)諧振腔之間的相位差也實(shí)現(xiàn)了基于破壞性干擾的類擴(kuò)散散射，進(jìn)一步抑制了鏡面反射。這種結(jié)構(gòu)在6.7～20.1 GHz可以顯著降低寬帶后向散射，同時(shí)具備良好的光學(xué)透明性能[76]。

在光學(xué)透明材料表面周期性排列的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以減少Fresnel反射，例如蛾眼結(jié)構(gòu)減反膜就是一種由一系列不同形狀的柱狀結(jié)構(gòu)組成的周期性結(jié)構(gòu)[8]，在這種結(jié)構(gòu)中，亞波長(zhǎng)周期圖案可產(chǎn)生具有有效折射率的有效緩沖層，降低入射介質(zhì)(一般是空氣)與基底之間的阻抗失配，實(shí)現(xiàn)寬頻帶、寬角度、偏振無關(guān)的可見光和近紅外波段透明的微波吸收。圖7(d)為水基蛾眼超材料結(jié)構(gòu)，在4～120 GHz從正常入射到掠入射，以及TE和TM偏振，該結(jié)構(gòu)都能達(dá)到接近100%的吸收水平。

3 結(jié)語與展望

隨著雷達(dá)探測(cè)與電子技術(shù)的發(fā)展，屏蔽隱身研究的重要性日益增加，特別是透明隱身的需求愈加迫切。但一般透明導(dǎo)電材料都存在光學(xué)和電磁性能相互制約的問題，透明隱身屏蔽的研究面臨困難和挑戰(zhàn)，為此各研究機(jī)構(gòu)與科學(xué)家們做了大量研究，并取得了一系列重要的進(jìn)展。

(1)ITO具有導(dǎo)電率高、可見光透過率高、機(jī)械硬度和化學(xué)穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)，是透明導(dǎo)電領(lǐng)域(尤其是高頻領(lǐng)域)使用最廣泛的電阻材料。隨后發(fā)展起來的各種透明吸波結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料，大都選擇ITO作為基礎(chǔ)的透明導(dǎo)電材料。

(2)金屬網(wǎng)柵薄膜的電磁屏蔽效能高于ITO，同時(shí)能夠獲得更高的光學(xué)透過率，兼具材料與結(jié)構(gòu)兩方面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，具有較好的抗彎折性，但是它固有的網(wǎng)格光學(xué)衍射作用會(huì)影響實(shí)際場(chǎng)景中肉眼的視野質(zhì)量，這限制了網(wǎng)柵薄膜的發(fā)展和應(yīng)用，未來還需在材料、圖形結(jié)構(gòu)、工藝等方面取得進(jìn)一步突破。

(3)超表面、頻率選擇表面等超材料透明隱身薄膜具有吸波率高、厚度薄、光學(xué)透明性好、電磁波可設(shè)計(jì)和可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但吸收頻段強(qiáng)烈依賴于其拓?fù)鋱D形的結(jié)構(gòu)尺寸，為了拓寬吸收頻帶，還需在多層復(fù)合、設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)組合、優(yōu)化制備工藝等方面進(jìn)一步研究探索。

(4)結(jié)合特殊的匹配設(shè)計(jì)，石墨烯、水基超材料等新型透明吸波材料也表現(xiàn)出良好的光學(xué)和電磁性能，但是由于其制備質(zhì)量和規(guī)模的限制，目前還未能實(shí)際應(yīng)用。

(5)與反射型屏蔽隱身相比，吸波型材料的屏蔽隱身性能更全面。透明吸波隱身對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、制備工藝等要求苛刻，不是一種材料或結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)的，未來還需在材料選擇與配合、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)施工藝等方面進(jìn)行更全面和深入的研究和探索。不同材料、結(jié)構(gòu)和技術(shù)手段在該領(lǐng)域的優(yōu)劣對(duì)比如表1所示。

表1 不同材料的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)對(duì)比

在透明屏蔽隱身領(lǐng)域，研究者們開展了豐富的理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型制備工作，制得的材料在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的透明和屏蔽隱身性能。但就目前領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用而言，仍以ITO及其金屬摻雜透明導(dǎo)電薄膜為主。實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型樣件的尺寸一般較小，而實(shí)際應(yīng)用及相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求的樣件尺寸較大(如GJB 8820—2015《數(shù)字通信信號(hào)抖動(dòng)測(cè)試儀檢定規(guī)程》，要求樣件尺寸至少為300 mm×300 mm，飛機(jī)風(fēng)擋為米級(jí))。一方面，諸多新型的研究成果難以在工藝上實(shí)現(xiàn)大尺寸加工制備；另一方面，樣件的尺寸會(huì)顯著影響其屏蔽效能。一般地，小尺寸樣件放大之后，屏蔽效能都會(huì)有不同程度的降低。因此，許多新型的技術(shù)方案，目前還未能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化水平。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和科技工作者的努力，越來越多的科研成果將真正服務(wù)于我國通信、戰(zhàn)機(jī)、船艦等民用和軍用領(lǐng)域。