摘要
设计并研制出一种基于超材料的宽带微波/红外兼容隐身结构器件，该结构包括基于氧化铟锡（ITO）薄膜制备出的红外隐身层、微波吸收层和微波反射层，红外隐身层由圆环镂空结构的频率选择表面组成，微波吸收层由周期和方阻均不同的方环结构组成，微波反射层由连续的导电薄膜组成。各层由厚度不同的聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）隔开。结果表明此结构能够在2∼18.6 GHz范围内实现90%以上的吸收，其红外发射率低于0.3。
随着可见、红外、雷达及激光制导技术的迅猛发展，军事装备在战场上将面临多波段侦查的威胁，与之对应的多波段兼容隐身技术能提升武器装备战场生存能力。在各类探测手段中，雷达（微波）与红外探测占据90%，因此微波与红外兼容隐身技术成为多波段兼容隐身的主要研究方向之
超材料在操纵电磁方面具有可设计性和灵活性，越来越受到研究者的关注。超材料的特性主要取决于周期或非周期排列的结构单元，通过改变结构参数，操纵其有效介电常数和磁导率，实现超材料对电磁波的调
本文设计了一种基于ITO导电薄膜的雷达/红外兼容隐身轻质超材料结构。该结构由频率选择表面（IRSL）、微波吸波层（MAL）和微波反射层（MRL）共同组成。测量结果表明，该结构在2∼18.6 GHz频段内吸收率高达90%，在热红外波段（8∼14 μm）的发射率低于0.3。基于PMI泡沫的特性，本隐身结构同时兼具轻质的特点，密度仅为35 kg/
图1 雷达/红外兼容隐身超材料结构示意图。
Fig. 1 The structure diagram of radar/infrared compatible stealth metamaterial structure
IRSL为高电导率的ITO导电薄膜，导电薄膜在红外和微波频段均具有较高的反射率。在此，通过使用电磁仿真软件（CST studio suite 2016）模拟出ITO薄膜在红外波段和微波频段的电磁特性。在红外波段，ITO的介电常数可以用Drude模型描
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其中= 3.07×1
| ， | （2） |
式中和分别为导电单元和介质基板的发射率。和分别为导电单元和介质基板所占面积的百分比。在设计FSS时，导电材料在目标频段内应高填充比和高微波透过率。
图2 ITO薄膜的红外与微波性能 （a）在红外频段的介电常数实部与虚部，（b）在红外频段的反射率、透射率与吸收率，（c）在微波频段的反射率、透射率与吸收率，（d）方环与圆形频率选择表面的微波透过率
Fig. 2 The infrared and microwave properties of ITO continuous film （a） The permittivity at infrared wavelength， （b） The transmissivity， absorptivity， and reflectivity in infrared spectrum， （c） The transmissivity， absorptivity， and reflectivity in microwave， （d） The transmittance characteristic of the square and ring pattern frequency selective surface in microwave
如
用于制备IRSL、 MAL和MRL的ITO连续膜的方块电阻分别为11 Ω/sq、26 Ω/sq （MAL1）和54 Ω/sq （MAL2）、11 Ω/sq。采用粒子群优化算
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| , | （4） |
图3 雷达/红外兼容隐身超材料结构的各功能层结构图 (a)微波吸收层1和微波吸收层2的单元结构图， (b)红外隐身层的单元结构图
Fig. 3 The structure diagram of the functional layers of radar/infrared compatible stealth metamaterial structure (a) The unit structure of the microwave absorption layer1 (MAL1) and microwave absorption layer2 (MAL2), (b) the unit structure of the infrared stealth layer (IRSL)
本文仿真了结构在正入射情况下的吸波性能，电场偏振方向沿y轴，结果如
图4 雷达/红外兼容隐身超材料的模拟吸波性能，MAL1和MAL2两层对微波损耗的贡献
Fig. 4 The simulated microwave absorptivity of the structure and the contribution of MAL1 and MAL2 for the microwave absorptivity
微波吸收层的结构单元具有中心对称性，对入射波电场偏振方向具有不敏感的优势，在微波正入射时，吸波结构对两种偏振态（Ex和Ey）吸波性能基本相同，如
图5 雷达/红外兼容隐身超材料结构在0°至60°斜入射状态下的模拟吸波性能 (a)横电波(TE)模式，(b)横磁波(TM)模式
Fig. 5 The simulated microwave absorption spectrum of the structure under incident angles of 0° and 60° (a) TE mode, (b) TM mode
为了解释宽频吸波机理，本文给出了2.7 GHz、9.2 GHz和16.8 GHz三个频率处的电场、磁场和功率损耗密度的分布图。如
图6 垂直入射下的吸波层在2.7 GHz, 9.2 GHz和16.8 GHz时的模拟分布情况 (a)-(c)模拟电场分布，(d)-(f)磁场分布，(g)-(i)功率损耗密度分布
Fig. 6 Top view of the simulated distribution of microwave absorption layers at 2.7 GHz, 9.2 GHz，and16.8 GHz under vertical incidence (a)-(c) simulated electric field, (d)-(f) magnetic field, (g)-(i) power loss density distribution.
通过上述设计及仿真分析获得了一种具有宽带强吸波功能和低红外发射率的超材料吸波结构，为了证明设计的合理性及正确性，本文对上述仿真结果进行了实验验证。利用激光刻蚀制备出红外隐身层和微波吸收层，再将厚度不同的PMI泡沫插入各结构层间，最后得到与设计一致的超材料吸波结构。该结构设计尺寸为300 mm× 300 mm× 17.2 mm，实际得到的样品厚度为17.5 mm，如
图7 雷达/红外兼容隐身超材料结构在正入射时的仿真与实验吸波曲线，插图为样品的照片
Fig. 7 The simulated （Sim.） and experimental （Exp.） microwave absorption spectrum of the structure at normal incidence
图8 雷达/红外兼容隐身超材料结构在30°至60°斜入射后的实验结果 (a)横电波(TE)模式，(b)横向磁极化(TM)模式
Fig. 8 The experimental microwave absorption spectrum of the structure under incident angles of 30° and 60° (a) TE mode, (b) TM mode.
最后，通过热红外相机（PI640， Optris Inc.）测量超材料吸波结构的发射率。如
图9 雷达/红外兼容隐身超材料结构在70°C温度下的红外热像图
Fig. 9 The infrared thermogram of radar/infrared compatible stealth metamaterial structure under 70°C
本文成功设计并制备了一种能够实现雷达/红外兼容隐身的超材料结构，并对其各项性能进行了实验验证。实验结果表明本结构在2.7∼18 GHz微波吸收率大于90%，在8∼14 μm红外波段的发射率低于0.3。另外本结构具有良好的极化稳定性，当电磁波斜入射角小于60°时也能保持良好的宽带吸波效能。该结构质量较轻，密度仅为35 kg/
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