2017年3月10日技術(shù)評論網(wǎng)站報(bào)道，美國杜克大學(xué)搭建了基于動(dòng)態(tài)超表面孔徑的合成孔徑雷達(dá)，并進(jìn)行了2D和3D成像測試。該系統(tǒng)靈活、高效、價(jià)格便宜，生成的圖像質(zhì)量不低于傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)。

一、系統(tǒng)組成和工作原理

杜克大學(xué)動(dòng)態(tài)超表面孔徑合成孔徑雷達(dá)天線由互補(bǔ)、諧振的超材料單元組合的微帶線構(gòu)成，每一超材料單元包含兩個(gè)偶極子，與外部控制電路相連，超材料單元的諧振可通過偏置電壓進(jìn)行衰減控制。動(dòng)態(tài)超表面孔徑的每一諧振電路發(fā)射并接收某一特定的頻率，工作頻率也可通過調(diào)諧電路的電子特性進(jìn)行更改，類似于無線電調(diào)諧器。孔徑產(chǎn)生的總輻射方向圖是每一單個(gè)輻射器的輻射方向圖的疊加。通過給控制電路施加不同的電壓，可接通部分輻射單元，形成不同指向、不同形狀的方向圖，并可為每一波束選擇特定的工作頻率。動(dòng)態(tài)超表面提供的靈活性能夠給合成孔徑雷達(dá)帶來多種能力，可形成窄波束增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，在方向圖上形成零點(diǎn)回避干擾，也可使用寬波束觀察大范圍區(qū)域，甚至可以同時(shí)形成多個(gè)波束探測多個(gè)位置。由于動(dòng)態(tài)超表面可以大批量低成本印制，將會(huì)顯著降低雷達(dá)的成本。

超材料孔徑雷達(dá)原理示意圖

二、超材料（Metamaterial）的概念和特性

超材料概念來源于1968年前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格觀察到的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值物質(zhì)的電磁學(xué)特性與常規(guī)材料不同的現(xiàn)象和理論預(yù)測。目前，超材料的一般定義為具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，是將人造單元結(jié)構(gòu)以特定方式排列形成的具有特殊電磁特征的人造結(jié)構(gòu)材料。典型的超材料包括 “左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等。

“超材料”開啟新世界大門

“超材料”具有天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，這些性質(zhì)來自人工的特殊結(jié)構(gòu)。超材料由亞波長人工結(jié)構(gòu)單元作為基本單元構(gòu)成，單元間隔為微米量級(jí)，將人工原子和人工分子單元通過不同的結(jié)合和排列，可設(shè)計(jì)制造出各種物理特性的超材料。超材料的特征可歸納為以下三個(gè)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備的超常物理性質(zhì)，三是超材料的性質(zhì)不是由其基本構(gòu)成材料決定，而是取決于人工結(jié)構(gòu)，可人為設(shè)計(jì)、任意控制。

具備人工特殊結(jié)構(gòu)的“超材料”

三、超材料的研究現(xiàn)狀

超材料技術(shù)的研發(fā)引起了發(fā)達(dá)國家政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的高度重視。美國國防部將其列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，2010年《科學(xué)》雜志將超材料列入本世紀(jì)前十年10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一。美國國防部專門啟動(dòng)了超材料研究計(jì)劃；英特爾、AMD和IBM等6家公司成立了聯(lián)合基金；歐盟和日本也制定研究計(jì)劃投資研究。

折射率為負(fù)的“超材料”

2001年，美國加州大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室制造出世界上第一個(gè)負(fù)折射率超材料樣本，并實(shí)驗(yàn)證明了負(fù)折射現(xiàn)象與負(fù)折射率。2002年，麻省理工學(xué)院從理論上證明了“左手材料”存在的合理性，預(yù)言了這種人工材料在高指向天線、微波波束聚焦、電磁波隱身等方面的應(yīng)用前景；2006杜克大學(xué)制造了能在光波下隱形的“隱身外衣”；2009年出現(xiàn)了寬頻段的隱身衣；2010年發(fā)現(xiàn)電磁黑洞。

隱形外衣

德國科學(xué)家使用“徑直激光平版刻錄”技術(shù)制成紅外隱身材料片，荷蘭制造出力學(xué)可編程智能橡膠，可以像海綿一樣變硬或者變軟，甚至在擠壓下在軟硬狀態(tài)間快速轉(zhuǎn)變。我國在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項(xiàng)等項(xiàng)目中對超材料研究予以立項(xiàng)支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果。

超材料鏡頭

四、超材料的應(yīng)用

目前左手材料、光子晶體和缺陷地結(jié)構(gòu)等超材料已取得重要進(jìn)展。左手材料可用于制造高指向性天線、反向波天線，用于聚焦微波波束，實(shí)現(xiàn)“完美透鏡”，或用于電磁波隱身及制造各種新型微波器件。左手材料用于微帶天線，可有效抑制天線邊沿輻射，減少天線陣元間的干擾，抑制諧波的產(chǎn)生，突破傳統(tǒng)微帶天線半波長電尺寸的束縛，使小型化設(shè)計(jì)成為可能；左手材料用于天線罩，負(fù)折射率特性將使穿過其中的電磁波只能在垂直方向附近的小角度內(nèi)傳播，其他方向的傳播將受到限制，有利于天線輻射波束的匯聚，減小天線的波瓣寬度，提高天線的方向性；左手材料還可用于移相器和濾波器的設(shè)計(jì)。光子晶體器件可人為控制光子的流動(dòng)，可制造光子晶體光纖、光子晶體微帶天線、光子晶體濾波器等，具有低損耗、大帶寬、高增益等性能。缺陷地傳輸線在底層金屬接地面上刻蝕一定圖形，通過擾亂屏蔽電流的分布來影響表層微帶線傳輸特性，具有高阻抗、慢波特性，能夠提高天線的輻射效率和極化隔離度，降低相鄰天線單元之間的耦合，實(shí)現(xiàn)移相器的小型化。

平面電磁波傳播的示意圖  （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應(yīng)用前景十分廣泛，應(yīng)用范圍覆蓋工業(yè)、軍事、生活等各個(gè)方面。特別是電磁超材料，可以用于隱身衣、電磁黑洞、慢波結(jié)構(gòu)等元器件的制作，用于超材料智能蒙皮、超材料雷達(dá)天線、吸波材料、電子對抗雷達(dá)、超材料通信天線、無人機(jī)雷達(dá)、聲學(xué)隱身，對未來的通信、光電子/微電子、先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)以及隱身、探測、核磁、強(qiáng)磁場、太陽能及微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

軍用雷達(dá)

在雷達(dá)領(lǐng)域，通過將金屬微結(jié)構(gòu)印制在柔性基底上制備超材料薄膜，利用超材料的頻率選擇和負(fù)折射率特性，可以制造隱身涂層，實(shí)現(xiàn)射頻隱身，提高雷達(dá)戰(zhàn)場生存能力。同時(shí)，通過對線路施加不同電壓可以主動(dòng)控制波束，達(dá)到移相器的作用，可以根據(jù)不同環(huán)境對波束進(jìn)行不同調(diào)制，提高探測距離、分辨能力，并規(guī)避周圍信號(hào)干擾，提高雷達(dá)作戰(zhàn)效能。另外，超材料還將給予雷達(dá)共形能力，實(shí)現(xiàn)智能蒙皮，在發(fā)揮雷達(dá)功能的前提下不改變現(xiàn)有裝備外形特征，不影響現(xiàn)有裝備動(dòng)力學(xué)性能。

五、超材料的影響

超材料在國防中的應(yīng)用

當(dāng)前廣泛使用的各類常規(guī)材料都是建立在天然材料所具有性質(zhì)的改進(jìn)和提高上的，隨著材料設(shè)計(jì)和制造水平的不斷提高，對天然材料的各種性質(zhì)和功能的進(jìn)一步發(fā)掘利用的空間已逐漸縮小，并最終趨于極限。超材料的提出將會(huì)給新材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)帶來新的機(jī)會(huì)，給雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、隱身武器等的功能性能帶來新的變革。

感謝編譯/述評：中國電科十四所  韓長喜