2017年3月10日技術評論網站報道，美國杜克大學搭建了基于動態超表面孔徑的合成孔徑雷達，并進行了2D和3D成像測試。該系統靈活、高效、價格便宜，生成的圖像質量不低于傳統合成孔徑雷達。

一、系統組成和工作原理

杜克大學動態超表面孔徑合成孔徑雷達天線由互補、諧振的超材料單元組合的微帶線構成，每一超材料單元包含兩個偶極子，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行衰減控制。動態超表面孔徑的每一諧振電路發射并接收某一特定的頻率，工作頻率也可通過調諧電路的電子特性進行更改，類似于無線電調諧器?？讖疆a生的總輻射方向圖是每一單個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。動態超表面提供的靈活性能夠給合成孔徑雷達帶來多種能力，可形成窄波束增強信號強度，在方向圖上形成零點回避干擾，也可使用寬波束觀察大范圍區域，甚至可以同時形成多個波束探測多個位置。由于動態超表面可以大批量低成本印制，將會顯著降低雷達的成本。

超材料孔徑雷達原理示意圖

二、超材料（Metamaterial）的概念和特性

超材料概念來源于1968年前蘇聯理論物理學家菲斯拉格觀察到的介電常數和磁導率都為負值物質的電磁學特性與常規材料不同的現象和理論預測。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的人工復合結構或復合材料，是將人造單元結構以特定方式排列形成的具有特殊電磁特征的人造結構材料。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，這些性質來自人工的特殊結構。超材料由亞波長人工結構單元作為基本單元構成，單元間隔為微米量級，將人工原子和人工分子單元通過不同的結合和排列，可設計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，三是超材料的性質不是由其基本構成材料決定，而是取決于人工結構，可人為設計、任意控制。

具備人工特殊結構的“超材料”

三、超材料的研究現狀

超材料技術的研發引起了發達國家政府、學術界、產業界的高度重視。美國國防部將其列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，2010年《科學》雜志將超材料列入本世紀前十年10項重要科學進展之一。美國國防部專門啟動了超材料研究計劃；英特爾、AMD和IBM等6家公司成立了聯合基金；歐盟和日本也制定研究計劃投資研究。

折射率為負的“超材料”

2001年，美國加州大學在實驗室制造出世界上第一個負折射率超材料樣本，并實驗證明了負折射現象與負折射率。2002年，麻省理工學院從理論上證明了“左手材料”存在的合理性，預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用前景；2006杜克大學制造了能在光波下隱形的“隱身外衣”；2009年出現了寬頻段的隱身衣；2010年發現電磁黑洞。

隱形外衣

德國科學家使用“徑直激光平版刻錄”技術制成紅外隱身材料片，荷蘭制造出力學可編程智能橡膠，可以像海綿一樣變硬或者變軟，甚至在擠壓下在軟硬狀態間快速轉變。我國在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術介質基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，取得了多項原創性成果。

超材料鏡頭

四、超材料的應用

目前左手材料、光子晶體和缺陷地結構等超材料已取得重要進展。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，實現“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，抑制諧波的產生，突破傳統微帶天線半波長電尺寸的束縛，使小型化設計成為可能；左手材料用于天線罩，負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計。光子晶體器件可人為控制光子的流動，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，實現移相器的小型化。

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用前景十分廣泛，應用范圍覆蓋工業、軍事、生活等各個方面。特別是電磁超材料，可以用于隱身衣、電磁黑洞、慢波結構等元器件的制作，用于超材料智能蒙皮、超材料雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線、無人機雷達、聲學隱身，對未來的通信、光電子/微電子、先進制造產業以及隱身、探測、核磁、強磁場、太陽能及微波能利用等技術將產生深遠的影響。

軍用雷達

在雷達領域，通過將金屬微結構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折射率特性，可以制造隱身涂層，實現射頻隱身，提高雷達戰場生存能力。同時，通過對線路施加不同電壓可以主動控制波束，達到移相器的作用，可以根據不同環境對波束進行不同調制，提高探測距離、分辨能力，并規避周圍信號干擾，提高雷達作戰效能。另外，超材料還將給予雷達共形能力，實現智能蒙皮，在發揮雷達功能的前提下不改變現有裝備外形特征，不影響現有裝備動力學性能。

五、超材料的影響

超材料在國防中的應用

當前廣泛使用的各類常規材料都是建立在天然材料所具有性質的改進和提高上的，隨著材料設計和制造水平的不斷提高，對天然材料的各種性質和功能的進一步發掘利用的空間已逐漸縮小，并最終趨于極限。超材料的提出將會給新材料的設計與開發帶來新的機會，給雷達、通信、電子戰、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