可调吸波超材料研究进展

Research progress in tunable metamaterial absorber

摘要

超材料因其独特的电磁吸波特性成为电磁吸波领域的研究热点，但常规吸波超材料结构和材料的确定性使其难以满足武器装备在复杂战场环境下的电磁隐身动态调控需求。通过引入可调谐单元，吸波超材料的电磁特性可通过外部激励源灵活动态调控，对提升武器装备的电磁隐身效能具有重要作用。本文阐明了基于等效电路理论的超材料电磁性能调控机理，详细梳理了基于活性材料、动态结构以及电路元件的可调吸波超材料研究现状，针对调控范围、响应速度等应用性能探讨了研究中存在的瓶颈问题，并从智能感知控制、自适应调节优化、网络化协同控制和能量自供应4个方面对未来发展方向进行了展望，为可调吸波超材料的进一步发展与应用提供有益参考。

Abstract

Metamaterials have garnered significant attention in the field of electromagnetic wave absorption due to their unique electromagnetic absorption properties. However， conventional metamaterial absorbers， with their fixed structures and materials， struggle to meet the demand of dynamically controlling electromagnetic stealth for weapons and equipment in complex battlefield environments. By incorporating tunable units， the electromagnetic properties of metamaterial absorbers can be flexibly and dynamically controlled through external excitation sources. This capability plays a crucial role in enhancing the efficacy of electromagnetic stealth for weapons and equipment. In this paper， the mechanism of regulating the metamaterial electromagnetic performance is elucidated through equivalent circuit. The current research status of tunable metamaterial absorbers， which utilize active materials， dynamic structures and circuit components， is introduced in detail. To explore the application performance of tunable metamaterial absorbers， the existing bottleneck issues in current research， such as control range and response speed are also discussed. Furthermore， the future development direction is extensively explored from the aspects of intelligent perception control， adaptive adjustment optimization， networked collaborative control， and self-powered energy supply， providing a valuable reference for the continued advancement and application of tunable metamaterial absorbers.

Graphical abstract

关键词

吸波超材料 / 动态可调 / 活性材料 / 动态结构 / 电路元件

Key words

metamaterial absorber / dynamic tunability / active material / dynamic structure / circuit component

现代科技的快速发展使得电磁波成为信息传播的重要媒介，而针对电磁波传输特性的复合材料设计与研发也已经成为电磁波技术的研究热点。电磁吸波材料由于军事和民用领域应用的广泛性而备受关注，得益于复合材料设计合成方法的不断进步，吸波材料在吸波强度、有效带宽等关键性能方面取得了显著进步^［1］。然而，由于传统吸波材料体系存在理论吸波极限的限制，其电磁吸波性能难以实现进一步突破。

相比于传统材料，超材料以电磁特性作为目标牵引，通过优化单元结构构型和排布方式，可以实现多功能协同设计^［2-3］。而吸波超材料作为电磁超材料研究的重要方向更是有力推动了传统复合材料吸波性能的跨越式发展，对于发展具有薄厚度、宽频谱、大角域、强吸收的隐身吸波材料与结构体系具有十分重要的意义^［4-7］。一般情况下，吸波超材料的设计制造过程一旦完成，其工作频带和电磁吸波特性便不会发生变化，这无疑与超材料应用场景的多样性之间产生不可调和的矛盾。可调吸波超材料概念的提出成为解决上述问题的关键，通过外界环境的光电力磁等刺激使材料、结构以及加载元器件的特性发生变化，进而实现超材料电磁特性的动态可调，以满足不同环境条件下的电磁特性应用需求^［8-12］。本文基于吸波超材料动态可调性的不同实现方法，分别介绍了基于活性材料、动态结构以及电路元件的可调吸波超材料主要研究进展，分析了研究中存在的关键瓶颈问题和未来发展的热点方向，从而为后续可调吸波超材料的相关研究提供参考。

1 吸波超材料调控机理

目前用于解释超材料吸波机理的主流理论包括耦合模理论^［13］、多重干涉理论^［14］、阻抗匹配理论^［15］和等效电路理论^［16］等。其中，耦合模理论示意图如图1（a）所示，通常情况下，在电磁波的传输过程中，不仅相同类型的电磁波间会发生耦合，不同类型的电磁波也会出现耦合效应。以典型3层超材料结构为例，根据耦合模理论，金属底板的作用使超材料结构可以被看作单端口谐振模型，超材料的电磁特性描述如式（1）~（2）所示：

\frac{\mathrm{d}a}{\mathrm{d}t}=\left(\mathrm{j}{\omega }_{\mathrm{0}}-\delta -\gamma \right)a+\sqrt[]{\mathrm{2}\gamma }{S}_{+}（1）

S_{-}=-S_{+}+\sqrt[]{\mathrm{2}\gamma }{S}_{+}（2）

式中：a为谐振模式的能量振幅；S₊ 和S_- 为输入波和输出波的振幅；δ和γ为超材料的固有损耗衰减率和逃逸到外部空间功率的衰减率；ω₀为谐振频率。式（1）表明了超材料谐振腔内部的能量变化过程，式（2）表示总反射波能量为入射波的反射波和谐振腔内部辐射波之和。电磁波吸收率A可通过计算反射系数r求得，如式（3）~（4）所示：

r=\frac{S_{-}}{S_{+}}=\frac{\mathrm{j}\left(\omega -{\omega }_{\mathrm{0}}\right)+\delta -\gamma }{\mathrm{j}\left(\omega -{\omega }_{\mathrm{0}}\right)+\delta +\gamma }（3）

A=\mathrm{1}-{\left|r\right|}^{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{4}\delta \gamma }{{\left(\omega -{\omega }_{\mathrm{0}}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(\delta +\gamma \right)}^{\mathrm{2}}}（4）

式中：\omega为入射波频率。

超材料多重干涉理论示意图如图1（b）所示，电磁波从自由空间入射到超材料表面时会产生一级反射和一级透射，透射电磁波在介质结构中继续传播直至被金属底板反射到超材料表面产生二级反射和透射，其中透射波对超材料的总反射起作用。电磁波以相同的传播方式在超材料结构中形成多重反射和透射，但由于介质的损耗性，电磁波在介质的传播过程中能量会逐渐衰减，一般而言，三级透射在总反射中的能量占比可以忽略不计，因此利用多重干涉模型计算吸波超材料的总反射系数如式（5）所示：

r=r_{\mathrm{12}}-\frac{t_{\mathrm{12}}{t}_{\mathrm{21}}{\mathrm{e}}^{\mathrm{i}\mathrm{2}\beta }}{\mathrm{1}+r_{\mathrm{21}}{\mathrm{e}}^{\mathrm{i}\mathrm{2}\beta }}（5）

式中：r₁₂、r₂₁为界面两侧的反射系数；t₁₂、t₂₁则为相应位置的透射系数；β为相位延迟。多重干涉理论的优势在于不需要考虑超材料结构的复杂程度，只需要获取界面处的反射和透射信息，但其缺点是只能定性解释超材料的吸波性能，不能用于指导超材料结构设计。

阻抗匹配理论能够从超材料与自由空间阻抗匹配性的角度解释超材料的电磁波吸收性能，研究者据此提出利用阻抗匹配法设计吸波超材料，通过单元结构和材料参数的合理设计使其等效电磁参相等，满足式（6）所示的阻抗匹配关系：

Z=\sqrt[]{\frac{{\mu }_{\mathrm{r}}}{{\epsilon }_{\mathrm{r}}}}=\sqrt[]{\frac{{\mu }_{\mathrm{0}}{\mu }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}}{{\epsilon }_{\mathrm{0}}{\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}}}=Z_{\mathrm{0}}（6）

式中：Z为吸波超材料的波阻抗；{\mu }_{\mathrm{r}}为碳导率；{\epsilon }_{\mathrm{r}}为介电常数；{\mu }_{\mathrm{0}}为自由空间磁导率；{\epsilon }_{\mathrm{0}}为自由空间介电常数；{\mu }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为超材料等效磁导率；{\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为超材料等效介电常数；Z₀为自由空间波阻抗。如图1（c）所示，Z_eff为等效阻抗，Z_real为等效阻抗实部，Z_imag为等效阻抗虚部。通过阻抗匹配设计使超材料在目标频段内电磁波尽可能无反射地进入超材料结构内部，而电磁波的能量损耗则通过等效电磁参数虚部贡献。

与上述理论相比，等效电路理论的突出优势在于将超材料结构视作由电容、电感和电阻等电路元件组成的等效电路，在结构和材料的电磁特性变化时，可以将其等效为电路参数的变化，进而从阻抗的角度分析超材料的吸波性能变化。其结构示意图和等效电路图如图1（d）所示，其中Z_d1为2个介质层等效阻抗之和，由阻抗匹配理论可知，阻抗匹配性能是实现高效电磁波吸收的先决条件，超材料结构的总输入阻抗由介质层和周期结构层的等效阻抗共同组成。介质层等效阻抗如式（7）所示，其中，Z_d为介质层等效阻抗，{\mu }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为超材料等效磁导率，{\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为超材料等效介电常数，f为电磁波频率，c为电磁波传播速度，d₁为介质层厚度，ε₁和μ₁为等效电磁参数。周期结构层等效阻抗（Z₁）则如式（8）所示，R₁、C₁和L₁分别为等效电阻、等效电容和等效电感。

Z_{\mathrm{d}}=\mathrm{j}{Z}_{\mathrm{0}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi }f{d}_{\mathrm{1}}}{c}\sqrt[]{{\mu }_{\mathrm{1}}{\epsilon }_{\mathrm{1}}}\right)（7）

Z_{\mathrm{1}}=R_{\mathrm{1}}+\mathrm{j}\omega L_{\mathrm{1}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{j}\omega C_{\mathrm{1}}}（8）

超材料输入总阻抗Z_in如式（9）所示：

Z_{\mathrm{i}\mathrm{n}}=\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{Z_{\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}}{Z_{\mathrm{d}}}}（9）

由Z_in的推导可知，介质层厚度、材料电磁特性以及周期结构设计在超材料阻抗特性优化中都具有重要的作用，当输入总阻抗Z_in与自由空间匹配时，能够在特定频率下实现最大吸收。基于不同调控机制的可调吸波超材料研究的实质便是改变结构设计与材料本征电磁参数之间的耦合关系，调控不同状态下的阻抗匹配性能，从而提高吸波超材料在通信、雷达和隐身技术等领域的性能表现。

2 基于活性材料的可调吸波超材料

以灵活可调吸波超材料为研究目标，实现吸波性能动态可调的1种常见策略是将理化性质动态可调的活性材料引入超材料结构体系，利用活性材料与外界刺激间的响应关系动态调控超材料结构的电磁性能，这种设计策略的突出优势在于无需复杂的电路设计，可明显降低超材料的结构复杂性和制造难度^［17-18］。用于可调谐吸波超材料的活性材料包括热敏材料^［19］、电控材料^［20-21］、光敏材料^［22］、铁磁性材料^［23］等，而其核心调控策略则包括温度控制、偏置电压控制、泵浦光控制以及磁场控制等。

2.1 热敏材料

通过温度调谐改变活性材料的电磁特性是1种常见的超材料吸波性能调控方法，作为热敏材料的典型代表，相变材料的电性能在外界激励下会产生明显变化，有利于实现超材料电磁特性的大幅度调制，是构建可调太赫兹吸波超材料的理想材料^［24-25］。

基于相变材料二氧化钒（vanadium dioxide，VO₂）绝缘态和金属态之间的双稳态过渡，研究人员开展了基于不同谐振频率的可调谐太赫兹吸波超材料的设计研究工作^［26］。Liu等^［27］通过在介质基板上加载中心对称型VO₂谐振器阵列，利用热激发下VO₂的相变特性分析加热和冷却过程中可调超材料在0.5~4 THz频段内传输特性的变化规律（图2（a）），实现了外部温度对超材料宽频电磁性能的动态调节，但响应速度相对较慢。为了提高超材料电磁特性调节的灵活性，Li等^［28］将VO₂和狄拉克半金属（bulk dirac semimetal，BDS）薄膜相结合设计了1种双功能可调谐吸波超材料，利用VO₂的相变特性，超材料结构不仅能够实现单波段和双波段吸收态的转换，而且还能在反射态和吸收态之间动态切换。与其他同类研究相比，设计的超材料可以通过电压信号控制BDS薄膜的费米能来动态调控工作频率，丰富了超材料的调控机制，可用于太赫兹波段的传感、成像与探测等领域。而一些温度敏感的非相变材料如锑化铟（InSb）等，在外界温度变化时其电磁性能会发生明显变化，将其与超材料结构集成也能达到主动调控电磁吸波性能的效果^［29-30］。Jing等^［31］将提出将图案化InSb薄膜同时作为调控介质和谐振单元以降低超材料结构厚度，当温度从295 K变化到320 K，超材料第1个谐振峰逐渐从0.413 THz移动到0.529 THz，第2个谐振峰则从0.654 THz偏移至0.863 THz。在此基础上，该课题组还研究了InSb基可调吸波超材料在外加磁场变化电磁吸波性能的变化规律，为设计热磁双调控机制吸波超材料提供了1种有效的方法。

基于热敏材料的可调超材料无需外加控制单元，为可调超材料结构的简化提供了有效思路，而其宽调谐范围和集成性强的典型优势则有利于动态可调吸波超材料在通信、成像、检测和其他太赫兹技术领域的应用与发展。但该类型的超材料存在响应速度慢、可操作性有限以及调谐范围不在可见光谱的问题，而且基于热响应机制的调控精确度仍需进一步提高。此外，基于热敏材料的可调超材料在实现多功能集成、多频谱兼容和多场态调控方面的研究方面仍需进一步深化，以满足不同领域对可调吸波超材料的需求。

2.2 电控材料

基于电控材料的可调超材料设计，既能够实现快速精确的调谐效果，又能避免大量引入电路元件增加超材料结构复杂度，对于可调超材料的工程化应用具有重要的作用。现阶段研究中用于可调超材料设计的电控材料主要包括石墨烯^［32-33］、液晶^［34-35］和BDS^［36-37］等。

石墨烯作为独特的二维平面材料，由于其大载流子迁移率、高光学透明度和强电可调性，在设计宽带可调谐吸波超材料方面表现出较好的应用前景^［38］。Zhou等^［39］通过电信号同时控制超材料结构中石墨烯的费米能级和VO₂的电导率，其吸收率、透过率和反射率分别可以在0%~99%、0%~65%和0%~74%之间动态连续调节。为了进一步拓宽可调超材料的调谐频带，如图2（b），（c）所示，Wang等^［40］利用石墨烯作为调控介质，在平板吸波超材料的基础上开展三维超材料结构设计，当石墨烯的费米能级在0~0.5 eV间变化时，超材料5~10 GHz范围内电磁吸波率变化明显，并且调控速率和灵活性相对较高。液晶分子的介电性能与其取向密切相关，而通过外加电压可以控制液晶分子的取向^［41-42］，Deng等^［35］设计的基于液晶分子的可调吸波超材料，如图2（d），（e）所示，将谐振结构与顶部电极相连接，在较低的偏置电压下实现了液晶分子的定向排列，施加电压后谐振频率从110.9 GHz偏移到103.8 GHz，频率可调性为6.4%。通过结构设计和优选损耗材料，液晶基可调超材料的工作带宽可以拓展至红外或近红外波段，Kowerdziej等^［43］结合双向高折射率液晶分子与金属钛基谐振器设计了双波段可调谐吸波超材料，可以大幅调控电磁吸波率和谐振频率，通过切换液晶排列方向，光谱可调谐性高达8 THz，这种柔性超材料结构可在近红外波段内的智能主动可调谐系统中发挥重要作用。

被称为“3D石墨烯”的BDS具有超高的载流子迁移率与极低的本征损耗，Zhao等^［37］将BDS和VO₂集成在超材料结构设计中。一方面，BDS的电导率与费米能级之间的动态关系使超材料的吸波特性动态可调；另一方面，随着温度的不断升高VO₂发生从金属态到绝缘态的可逆相变，其电导率变化值接近3~4个数量级。BDS与VO₂的双重作用使超材料结构在太赫兹波段具有灵活、可调和可逆的调控功能，为超材料的设计和应用提供了新思路，同时也拓宽了BDS在电子学和光学领域的应用场景。

基于电控材料的可调谐超材料相对于其他调控机制，其优势在于能够在时间尺度上表现出更快的响应速度，适用于需要快速调控的应用场景。另外，电控材料的调控精度较高，可以通过调节外部电场或电流的参数，实现对超材料电磁特性的精确控制，这使得可调谐超材料在电子学领域的应用具有更高的灵活性和可定制性。但其相当一部分研究仍然是基于仿真设计，这表明虽然基于电控材料的可调谐超材料的潜力巨大，还需要进一步的实验研究来验证其性能和可行性。

2.3 光敏材料

光可调超材料的本质是通过控制泵浦光的强度来改变材料的电导率和有效介电常数，从而实现对超材料电磁吸波率和工作带宽的主动调节。常见的光敏材料包括半导体硅、砷化镓（GaAs）和VO₂等。基于光敏材料的可调谐超材料一般具有调制速度快、可见光谱范围可调以及集成电路兼容性强等优点，相比于传统超材料，光可调超材料无需大量的导电线路和外加电路控制模块，而且可以通过外部光源实现远程无接触式调控，具有质量轻、结构紧凑等优势，因此光可调超材料被视为未来超材料研究的重要方向^［44］。

半导体硅作为一种高损耗光敏材料，在太赫兹波段的光可调谐超材料设计中得到了广泛应用^［45］。Cheng等^［46］利用半导体硅作为顶部谐振器间隙的填充介质，通过泵浦光功率改变其电磁响应特性。研究结果表明，超材料吸波率的可调制范围为62.2%，而频率调谐范围为0.51~0.82 THz，其宽频带大幅度可调性的实现为半导体技术和有源太赫兹超材料的进一步发展提供了有益的参考。Zhao等^［22］利用GaAs图案化贴片在衬底材料上形成阵列结构，并在衬底背面涂上金膜作为接地层。通过GaAs中自由载流子的光激发动态控制贴片上开口环谐振器的电磁响应，在800 nm波长泵浦光的刺激下，可将0.78 THz和1.75 THz处的电磁波吸收率分别调谐至25%和40%，在可调性的基础上实现了超材料结构的柔性化。与使用光敏半导体的可调谐超材料不同，Ren等^［47］使用VO₂薄膜设计了1种光可调太赫兹吸波超材料，图3（a）为电磁波传播路线的示意图，图3（b），（c）则表明了超材料的透过率、吸收率和反射率在0~1 THz频段范围内随电导率和光通量的变化关系。这种基于光调控的可调超材料为设计太赫兹波段有源可调光学器件提供了可借鉴的思路。而Liu等^［48］则研究了外加光源激励下由VO₂相变作用引发的吸波超材料动态可调性，在外加光源刺激下VO₂从绝缘态转变为金属态，谐振频率处的电磁波吸收率从3%增加到90%，有效吸波带宽达到1 THz，研究成果在主动电磁隐身、太赫兹波检测和热成像等领域具有潜在应用前景。

目前光可调超材料存在的主要问题是可调谐范围较窄，并且缺乏针对单一谐振单元的电磁特性控制机制，只能针对整体结构进行调控，而且光可调超材料通常由微纳米级结构单元组成，制备过程需要高精度的纳米加工技术和复杂的材料合成方法。未来光可调超材料的研究需要继续致力于扩展可调谐范围，提高调控精度，充分发挥其在能量采集、太赫兹电磁波调制以及迷彩涂层伪装等领域的潜在优势。

2.4 磁性材料

磁性材料低频区域吸波强度高，而且通过改变外部磁场的强度、方向或频率可以调节其电磁特性，这种灵活的调节机制使得基于磁性材料的可调吸波超材料在电磁调控领域具有较好的应用前景^［49-50］。在低频区域，介电吸波材料受到其大结构厚度和窄吸收带宽的限制，不利于实现超材料的轻薄化。因此，La等^［51］利用双层铁氧体橡胶层作为超材料介质衬底，通过在超材料结构的不同位置施加水平方向磁场研究其吸波特性变化规律。结果表明，外加磁场与入射电磁波耦合形成的铁磁共振可使超材料吸波频带向高频移动，谐振频率从2.8 GHz转移到3.3 GHz。类似地，Huang等^［52］将铁氧体作为衬底集成到传统超材料结构中，在外加变化磁场的作用下谐振频率可在宽频带上偏移，同时讨论了铁氧体和环氧树脂覆铜板（flame retardant 4，FR4）厚度对调谐范围和调谐幅度的影响。

可调谐吸波超材料通常由可调控介质和单元结构组成，调谐介质决定调谐范围，单元结构设计则影响超材料吸收强度和谐振频率。Li等^［23］将铁素体层与表面阵列结构相结合设计可调吸波超材料（图3（d）~（f）），可在0.2~7.6 GHz的超宽带频率范围内进行磁性调谐。研究发现，超材料表面的金属条形阵列通过干涉和衍射机制能够有效抑制极化转换，显著提高电磁波吸收效率。为提高金属介电谐振器的宽带可调谐能力，Yang等^［53］利用铁氧体基板和铜线组设计了1种可调谐宽带超材料结构，研究发现，动态磁场对铁氧体结构的磁共振效应和等效磁导率的调控使得超材料电磁波吸收频带可以在较宽的频率范围内发生明显线性位移，而这种简单的结构与高效的调控策略为超材料的工程化应用指明了新的方向。磁流变材料是1种由磁性微纳颗粒和聚合物基体组成的智能材料，在可变外加磁场的作用下其力学性能和电磁性能会发生快速变化，对于提升可调超材料的智能化水平具有重要的意义。Gan等^［54］提出了1种基于磁流变材料的磁控可重构编码吸波超材料，以羰基铁粒子作为吸波剂，选择热塑性聚己内酯作为基体以获得优异的机械强度和可重构性能。通过不同编码设计磁场阵列，从而实现磁控编码和电磁波吸收特性动态可调，设计的超材料在7.44~12 GHz频率范围内电磁波吸收率90%以上，而反射率最小值为-17.96 dB。

基于磁性材料的可调吸波超材料能够通过改变外加磁场实现超材料电磁性能的无接触调节，可用于磁记录、光伏器件、传感器和微波器件等领域，而现阶段制约磁可调吸波超材料发展的瓶颈问题主要包括以下2方面：首先是其磁场依赖性较强，调控精度易受外部磁场影响，在应用过程中对磁场稳定性要求较高；其次是调谐范围局限性，磁可调超材料的可调范围受到材料本身的物理特性限制，在某些频率或波段上可能表现出较小的可调谐能力，在不同状态下电磁特性的差异性需要进一步提高。未来磁可调吸波超材料需要在提高调控稳定性和扩大调控范围的基础上结合新型制备技术通过吸波性能的定制化设计实现吸波性能的可重构性，从而进一步拓展其应用领域。

基于活性材料的可调吸波超材料能够利用活性材料对热电光磁等外部刺激的动态响应实现超材料电磁特性的动态调节，调控机制灵活，方法多样，在军事通信和雷达隐身技术等领域具有重要应用价值。同时利用活性材料作为调控介质的方法对于超材料制备技术要求相对较低，有利于实现大规模制备。但受限于材料的本征电磁特性，不同材料体系的活性材料在调控范围、响应效率方面存在较大差异，而且不同调控方法之间容易出现相互干扰，在实际应用中难以保证调控的稳定性，未来需要针对不同调控方式之间的影响作用机制展开进一步研究。

3 基于动态结构的可调吸波超材料

超材料单元结构设计和阵列排布的多样性导致其独特的电磁特性，因此基于动态结构的可调超材料能够在不改变材料本征特性的前提下通过重构超材料单元结构的几何形状或空间排列来调控超材料的电磁响应^［55］。如果这种调控是相对连续的，那么超材料电磁性能的变化也有可能是连续的。基于动态结构的可调超材料设计方法包括在柔性可变形基底上集成微纳结构、结合微电子机械系统设计超材料结构以及利用形状记忆材料变形效应获得可调性超材料结构^［56］。

3.1 柔性基底材料

柔性结构质量轻、变形量大且易于调控，在共形超表面、柔性驱动以及传感领域都发挥着关键作用^［57-58］。Yang等^［59］基于纺织基底设计制备了1种新型柔性宽带可调吸波超材料，有效带宽覆盖X、Ku和K波段。与传统柔性吸波结构相比，该超材料具有设计自由度高、可弯折、结构简单和成本能耗低等优点，而且在弯曲情况下吸波性能衰减程度相对较低。此外，Wang等^［60］采用跨尺度设计策略设计了1种柔性可调吸波超材料，在微观尺度上对复合材料的电磁性能进行优化，并采用硅胶作为基体材料设计三维柔性超材料结构。设计的超材料在3.7~40.0 GHz的超宽带范围内均能保持高效电磁波吸收，柔性基体材料的使用使得超材料能够发生任意幅度和角度的弯曲扭转，显著提高了结构适应性。

导电橡胶具备良好的电磁性能和机械可拉伸性，在超材料的设计与研发中得到了广泛应用。Zhang等^［61］将介电谐振器在导电橡胶上进行阵列排布，当沿磁场方向的单轴向应力在0%~180%间变化时，由于相邻单元格间的耦合程度发生改变，吸波超材料谐振峰的可逆调谐范围为410 MHz。Lee等^［62］将具有蜂窝结构的阵列刚性薄膜与柔性基底材料聚二甲基硅氧烷相结合，通过释放预应变和降低温度，吸波超材料表面单元阵列结构从拉伸态转变为波浪态，其在0~2.5 THz频率范围内的电磁传输特性也随之改变（图4（a））。该研究利用柔性材料将超材料的变形模式由二维平面拓展到三维空间，调控方式更加灵活，而聚二基甲硅氧烷良好的柔韧性和可拉伸性使得超材料在经历多次结构变形后，吸波性能仍能保持相对稳定，为提高可调超材料的实用性提供了极好的支持。通过柔性基底材料变形调控超材料电磁性能的方法具有应力载荷精准控制和变形量直观的优点，但其缺点是调控区间相对较窄，幅度相对较小，难以实现大幅度宽频谱的灵活调控。为了增强吸波超材料的调控灵活性，在未来的研究中，需要发展以导电聚合物和导电凝胶为代表的智能柔性材料，使其受到外界物理、化学等刺激时能够产生形变响应并提供相应的功能。

3.2 微机电控制系统

微机电控制系统的内部结构通常在微米量级，具有智能化、多功能、集成度高等显著优势。通过微机电控制系统实现超材料电磁特性调节的方法一般包括改变超材料结构的介电层厚度或控制单元阵列结构位置和状态，以在微尺度上实现对超材料电磁特性的精确调节^［63］。

Kim等^［64］提出了1种机械驱动的可重构吸波超材料，通过机械系统改变超材料结构单元的整体厚度来调控谐振频率。该结构由固定厚度的FR4介电基板和厚度可调的空气层组成，仿真结果表明，当空气层厚度在17~26 mm范围内变化时，谐振器的谐振频率从6.96 GHz变化到5.79 GHz，由于吸波超材料系统的灵敏性，提出的超材料结构可用于无线压力传感器。而Li等^［65］将微机电控制系统引入太赫兹波段动态可调超材料结构设计，利用偏置电压来调整金属底板与悬浮金属硅层之间的距离。当去除偏置电压时，悬浮的金属硅层可以通过悬臂梁的弹簧力恢复其初始高度，从而实现超材料结构的吸收态和反射态的相互切换。与上述研究类似，如图4（b）所示，Pitchappa等^［66］通过微机电系统控制单元结构内的多个悬臂梁以提高整体电磁性能调制幅度，但不会对结构尺寸、驱动电压和制造过程的复杂性产生不利影响。研究发现，当单元结构内悬臂梁的数目由1个变为2个时，其调控范围拓展了接近1倍。Su等^［67］提出了1种气动驱动的双波段可调谐复合吸波超材料，在实验过程中通过改变施加在薄膜上的压力以获得不同的变形效果，从而实现太赫兹波段双带吸收峰的主动调谐。并且基于多物理场模拟，研究了各谐振频率在不同气动驱动状态下的电场分布，成功证明了双波段可调谐特性。

折纸结构作为典型三维结构，理论上可以实现从二维平面结构到任意复杂的三维立体结构的转变，空军工程大学的屈绍波团队^［68］采用三浦折叠方法，设计了1种可重构三维折纸超材料结构，将十字形谐振结构引入折纸结构表面。通过控制折纸结构的折叠状态，使其具备优异的宽频段大角域吸波性能。当折叠角为35°时，折纸基超材料表现出1.44~40 GHz的超宽带吸收和0°~70°的广角电磁波吸收性能。该团队设计的超材料结构具有较大的变形量和优异的力学性能，在工程应用方面具有较大的潜力，但其变形量调控机制相对粗糙，不利于实现连续精确控制。

基于微机电控制系统的可调吸波超材料未来发展的重要趋势之一是开发连续编码型超材料结构，通过不同的编码状态诱导不同的电磁响应特性，从而提高超材料调控的精确度和连续性。此外，机器元件的精密化和微型化也是基于微机电控制系统的可调超材料发展的重要支撑，未来需要进一步将控制系统和超材料结构单元进行集成以提高空间利用率。随着微机电控制技术的发展，基于微机电系统的可调吸波超材料的功能将趋于多样化，成为智能系统的重要组成部分。

3.3 形状记忆材料

虽然基于不同调控机制的可调超材料研究已经取得了一定的突破，但受限于结构复杂度和材料本征特性，同时实现宽频大角域、多功能集成的电磁波吸收仍是可调超材料研究面临的挑战之一。形状记忆材料可以在不需要外置控制系统的情况下通过施加激励实现形状回复，为可调吸波超材料研究指明了新的方向。

西安交通大学的衣建甲教授团队^［69］利用形状记忆聚合物的热驱动效应，设计了频率和幅度双可调的超材料结构，仿真结果表明，对于频率可调型超材料，谐振频率可在11.3~13.5 GHz范围内调谐，而对于幅度可调型超材料，反射率可以在-17.00~-1.34 dB之间调谐，其优势在于没有外加控制系统降低了结构复杂度，但其功能相对单一，且对斜入射角度较为敏感。Jeong等^［70］利用形状记忆效应实现了超材料结构吸收和反射功能的动态可调（图4（c）），在吸收态下超材料在27.9~30.8 GHz频率范围内的电磁吸波率达到90%，在29.04 GHz处的吸波率达到99.9%。将平面超材料加热到80 ℃，其变形为具有反射功能的轧制结构，从反射态过渡到吸收态所需的结构变形时间为70 s，结构变形速度为1.25%/s。该研究将有助于突破可重构超材料需要外置控制系统和结构设计复杂的局限性，提高超材料的智能化水平，但结构变形时间相对较长。钛镍形状记忆合金在外加热场作用下会发生高温马氏体相向低温奥氏体相的可逆转变，导致超材料结构表面阵列的几何尺寸和形状发生可逆变化，Zhang等^［71］基于镍钛形状记忆合金设计了1种结构相对简单的可调吸波超材料。实验结果表明，由于结构的对称性，电磁波垂直入射时超材料结构在0.5~2 THz范围内具有较好的极化稳定性，而且在较宽的入射角范围内可以保持良好的电磁波吸收性能。为了实现超材料结构的多功能化，Peng等^［72］将石墨烯和形状记忆合金相结合设计了1种全极化、多功能、可重构的吸波超材料，其中，石墨烯电阻可以通过施加偏置电压来调节，而形状记忆层的高度则可通过形状记忆效应控制。与之前报道的超材料相比，该结构既能实现宽带吸收，又能在窄带模式下工作，并且反射幅度可以动态控制，这种主动调控型超材料在智能和可重构隐身系统中具有巨大的应用潜力。

目前基于形状记忆材料的可调吸波超材料大都基于热驱动形状记忆效应进行设计，但这种调控方法存在的突出问题在于热驱动的形状记忆效应响应速度相对较慢，并且控制精度较低，但响应速度较快和控制精度较高的电驱动的形状记忆效应材料又会增加超材料结构复杂性。因此，开展基于光驱动和磁驱动的形状记忆可调吸波超材料以及相应调控机制的研究是未来基于形状记忆材料的可调超材料的重要方向。

综上，基于动态结构的可调超材料能够充分发挥结构设计在超材料电磁特性调控中的显著优势，通过柔性基底材料、微机电控制系统和形状记忆材料3种方法实现超材料结构动态可切换的方法在调控便捷性和调制幅度方面具有明显优势，而且在工程化应用中通过调节超材料的结构形态、几何参数或材料特性，能够实现对电磁波吸收、反射和散射的控制，从而达到减小目标物体的雷达截面积、降低其被探测到的概率的目的，在电磁隐身、伪装遮蔽等领域具有较好的应用前景。但目前研究中存在的突出问题在于除基于形状记忆材料的可调超材料变形速率相对较低，且难以控制变形精度，不利于实现超材料吸波性能的快速调节。此外，结构变化与吸波性能之间的响应机制在不同频段差别较大，难以提供统一的设计范式实现超材料吸波性能的跨频谱兼容。未来需要针对超材料结构的变形量调控机制与复合活性材料方面开展进一步研究，在提高调控精度的同时拓展其应用范围。

4 基于电路元件的可调吸波超材料

元器件的小型化为超材料结构与电路元件的协同设计和精确制造提供了新的技术途径，通过在超材料结构中引入二极管、电容和电阻等电路元件，进而利用电信号实现其工作频带和吸收幅度动态可控，这种调控方法具有可调谐能力强、响应速度快和调制范围宽等优点。

4.1 PIN二极管

PIN二极管在零偏置电压和高正向偏置电压下电阻值变化明显，将其与超材料结构集成能够灵活调控超材料的阻抗特性。Lee等^［73］基于PIN二极管设计的可调谐吸波超材料结构如图5（a）所示，超材料结构中的芯片电阻和PIN二极管提供了宽带吸波特性和可调谐能力。如图5（b）所示，当PIN二极管处于On状态时，超材料在8.45~9.3 GHz频率范围内具有90%的吸收带宽。当PIN二极管处于Off状态时，有效工作带宽为9.2~10.45 GHz。因此，当PIN二极管在On/Off状态之间切换时，超材料工作频带随之在低频带和高频带之间切换。

此外，Fang等^［74］创造性地将无源蜂窝结构与有源吸收器相结合设计了一种动态可调宽带吸波超材料，通过调节电压控制PIN二极管的电阻值，实现了超材料吸波强度和工作频段的调节。在电压信号控制下，PIN二极管阻值从100 Ω变化到800 Ω，实现了从窄带到宽带吸波性能的调谐。除宽频吸波性能外，极化和入射角度稳定性对于吸波超材料也具有重要的意义，因此，Zhang等^［75］在引入PIN二极管动态调节吸波超材料阻抗的基础上开展了超材料各向异性设计。结果表明，在30°~50°的斜入射角下，设计的超材料结构在1.6~5.1 GHz频段内对于横向电极化（transverse electric，TE）和横向磁极化（transverse magnetic，TM）极化电磁波的反射率均小于-10 dB，而且通过调节PIN二极管电阻值或状态能够实现谐振频率和工作带宽的快速灵活调控。

4.2 变容二极管

变容二极管相较于普通PIN二极管，其优势在于电容在电信号控制下能够连续变化，可动态连续调节超材料的吸波特性。吸波超材料通常面临的关键问题包括工作带宽窄、角度稳定性差和极化不可控性。为解决上述问题，Thummaluru等^［76］通过将变容二极管集成到超材料结构中实现宽频范围内吸波特性的动态可调谐，并利用扇形对称性结构设计提高了宽入射角域下吸波性能稳定性。此外，设计的结构还可以通过固定其他极化的谐振频率来控制TM和TE极化的谐振频率。

为了进一步拓展超材料的可调谐范围，Wu等^［77］基于等效电路理论，通过改变电容器和变容二极管的桥接点位置，进而控制变容二极管的开闭状态，使超材料结构在2.8~4.95 GHz频率范围内吸波特性动态可调。此外，通过将多组PIN二极管和变容二极管引入超材料结构，如图5（c），（d）所示，分别控制二极管的开闭状态，其调控范围能够进一步拓展到2.9~8.12 GHz。研究结果表明，通过调节元件的状态，可以实现对电磁波吸收能力和频率响应的精确控制，为可调谐超材料的设计与应用提供了新的思路。目前大多数可调谐的超材料结构只能在单一的频带内进行调谐，Xu等^［78］将变容二极管和超材料结构结合，设计了1种三波段可调谐超材料结构，通过改变偏置电压能够灵活调控超材料的不同频段处的电磁波吸收率和谐振频率。当变容二极管上的反向偏置电压从0 V变化到-15 V时，第1和第2吸收峰的谐振频率分别可以在2.77~4.36 GHz和8.11~8.41 GHz范围内动态调谐。

基于电路元件的可调超材料相较于其他方式调控灵活性强、响应速度快，通过调节电路元件的参数，能够高效精确地控制电磁传输特性，以适应不同频率范围的应用需求。在实际应用中，基于电路元件的可调超材料可用于设计新型天线、滤波器、调制器和相控阵等器件，但二极管的工作频率一般位于微波频段，其调控范围难以进一步拓展。此外，基于电路元件的可调吸波超材料需要集成电子元件及其控制电路，导致其结构相对复杂。基于电路元件的可调吸波超材料在未来的发展中需要实现电路元件的微型化，在纳米级电磁谐振器制造过程中引入等效电路元件从而将可调谐范围拓展到红外和太赫兹波段。

5 总结与展望语

电磁吸波超材料可设计性强、自由度高，对于电磁波传输特性的灵活控制具有重要的作用。为了实现吸波超材料结构与功能的可调和可重构，可通过活性材料、设计动态结构和集成电路元件等方法引入可调谐元素。表1^{［22-24，27，31，35，37，39，43，46-47，51-52，61，64-65，67，69-71，73-78］}总结对比了不同可调吸波超材料的实现方法和可调谐性能，从表中可以看出不同调控方法和材料体系下吸波超材料的调谐范围和响应速度差别较大，总的来说，外加激励为温度的可调超材料响应速度相对较慢，而基于电信号、光信号以及磁场信号的可调超材料则表现出较快的响应速度。调谐范围主要取决于调控方法和调控介质，活性材料中热敏材料、光敏材料和电控材料的调谐范围主要集中在太赫兹波段，而磁性材料则适用于吉赫兹波段的动态电磁性能调控；基于动态结构的可调超材料电磁性能调控效率取决于其结构变形速率，柔性材料和微机电控制系统相较于形状记忆材料变形速率高，因此其电磁特性响应效率明显较高；而基于电路元件的可调超材料与其他方法相比，在响应速度方面具有较强的优势，但受限于电路元件本身的特性无法实现红外、可见光等频段吸波性能动态调节。

综上所述，基于活性材料的可调超材料结构复杂度低，便于开展多功能化设计，适用于更加多样化的吸波性能调控需求，但在制备成本和稳定性方面仍需进一步研究；基于动态结构的可调超材料调控便捷性强、调节范围宽，适用于需要结构变化和复杂控制的场景，但其对于控制和传感系统的要求相对较高；而基于电路元件的可调吸波超材料具有较高的可调控精度和调控速率，适用于特定频率范围内的吸波调节，但由于电路元件本身的限制难以实现多频谱兼容。不同的设计思路均存在各自的优缺点，因此在设计可调吸波超材料时需要综合考虑成本、制造难度和应用场景等因素选择相应的电磁波调控方法，以实现所需的动态可调谐吸波效果。

超材料可调性的实现需要电磁设计、材料基础以及制造技术的协同作用，随着微纳尺度制造工艺和仿真设计方法的迅猛发展，动态可调吸波超材料逐渐从单波段、窄波段和单因素可调向多波段、宽频带和多场耦合发展。结合现阶段超材料与电磁调控领域的研究热点，从以下4个角度对可调吸波超材料的未来发展方向进行展望：（1）智能感知控制。借助传感器技术，可调吸波超材料能够感知周围的电磁场强度、频率和方向等参数，并通过智能算法进行分析和决策，进而自动调控其吸波特性，以实现对不同频率和方向电磁波有针对性地吸收。（2）自适应调节优化。未来可调吸波超材料将根据外界环境变化，通过反馈机制和机器学习算法，实时调整其结构、形态和材料特性，以提供最佳的吸波效果。（3）网络化协同控制。通过共享数据和信息，可调吸波超材料可通过网络进行连接和协同控制形成智能化整体系统，从而应用于大范围、多目标电磁波吸收场景，如无线电频谱管理、雷达系统和电磁干扰等。（4）能量自供应。未来可调吸波超材料将更加注重能量自供应性，利用新型能源收集和储存技术，超材料可以自主获取能量并进行存储，以满足其智能化功能的需求。

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基金资助

陕西省“特支计划”科技资助(陕组通字（2020）44号)

中国博士后科学基金(2022M723884)

陕西省自然科学基础研究计划(2022JQ-356)