电磁透波(bō)材料是指能够透过频(pín)率在0.3~300GHz、波长在1 ~1000mm 范围内的电磁波且透(tòu)波率超过70%的一类多功能介(jiè)质材料。电磁(cí)透波材(cái)料的作用一方面是物理保护发射天线及辐射(shè)源器件不(bú)受外界环境损坏(huài); 另一方面是尽(jìn)量减少电磁波的折射和反射现象,从而降低电介质极化强度和能量损耗,保(bǎo)证较高的透波率,使通讯系统和电子设(shè)备能够在任意复杂(zá)环境下正常工作。
其主要可用作各种飞机(jī)、运(yùn)载火(huǒ)箭、宇宙飞船、卫星及地面站的天线罩和天线窗,也可用作高性能印刷电路版基(jī)材等,在航空、航天、电子通讯及军事装备等领域有着重要的意义。传统电磁透波材料主要包括无机透波材料(liào)和有机(jī)透波材料,它们存在透波Q 值低、抗热冲击性能差、制作工(gōng)艺复杂、成本高等缺点。
与透波(bō)材料对应的就是吸波材料,吸波材(cái)料能吸收投射到其表面的电磁波能量(liàng),并通过材料的介(jiè)质损耗(hào)(电损耗/磁损耗) 或欧姆损耗(hào)使电磁波能量转化为热能以及其他形式的能量,一般由基体材料( 或粘(zhān)接剂)与吸收介质( 吸(xī)收(shōu)剂(jì)) 复合而成。其主要应用于电磁防(fáng)护、微波(bō)暗室、移动通讯(xùn)等场景,在隐身技术、保温(wēn)节能及人(rén)体防护等方(fāng)面也具有至关重要(yào)的(de)作(zuò)用。传统吸波材料包括导电高聚物、碳纤维、铁氧体、石墨烯、磁性金(jīn)属微粉等多种(zhǒng)材料为吸(xī)收(shōu)剂的复合吸波材料,密度大且厚度厚,很难满足现今 “薄(báo)、轻、宽、强”的设计(jì)理念。
随着多站雷达系统的(de)快速发展,传统带(dài)通型频率选择表面(雷达天线罩)由于其带外存(cún)在强反射,从(cóng)而导致较大的雷达散射截面,已无(wú)法应用于现代雷达系统中。同时,民用通信(xìn)系(xì)统迅猛发展,天线天面空间紧张与多频通信需(xū)求剧增的矛盾日益突出,电磁兼容环境恶劣,迫切需要一种兼顾透波 (通信)和吸波(隐身 ) 的全新吸透一体(tǐ)复合材料。
早在1995年Arceneaux等就提出吸透一体材料的概念,即一种同时具备带内低插损 (Insertionloss,IL)传输和带外高吸(xī)收(shōu)特性(xìng)的天线罩结构,但(dàn)是(shì)由于缺乏足够精准获取材料参数的方法,该概念并未得到足够的重视。1999 年, Pendry等(děng)提出的人(rén)工电磁体实现了对介(jiè)电常数和磁导率的负(fù)调控,为自由设计任(rèn)意数(shù)值的介电常(cháng)数和磁导率材料提供(gòng)了全新的途(tú)径(jìng)。随着超材料近20年的发展,无论是透波(bō)材料还是吸波材料都取得了令人瞩目的(de)成果。其中,带通型频率选择表面 (Frequencyselectivesurface,FSS)就是一种典型(xíng)的由人工电磁微结(jié)构(gòu)构造而成的透(tòu)波材料。同时,电磁超介质(zhì)吸波材料也(yě)取得了极大的(de)进(jìn)步,超宽带材料、频(pín)率可调材料、强度可调材料相(xiàng)继被提出并得到实验验证。超材料的(de)发展为全新频率选择性的透波 - 吸波(rasorber)一体化复(fù)合材料的实(shí)现提供了新思路。2012年, Costa 等详尽研究并论述了rasorber的设(shè)计方法,得到低频透波/高频吸波的频率选(xuǎn)择 rasorber 天线罩,其(qí)在4.6GHz左右透波,带内最小IL为 0.3dB ,10~18GHz内能达到 -15dB 的吸(xī)波性能。随后,沈(shěn)忠祥教授团(tuán)队(duì)又接连设计出带内透波/双边吸波、双频透波/双频吸波的 rasorber结构,极大地推动了吸透一体(tǐ)超材料的发展。