图片来源：Light: Science & Applications
撰稿 | 许河秀 王彦朝
隐身是一个亘古不变的话题，在过去的几百年时间里一直存在于神话传说和小说中，如哈利波特的隐身斗篷等。超材料和光学变换理论的出现让完美透波电磁隐身成为了现实，核心机制在于通过超材料设计，使得探测电磁波前遇到目标后不发生任何扭曲，类似于小溪里的流水，经过石头时溪流会绕过石头后再合拢并继续向前，本质是使得目标和背景的散射特征完全相同。早期地毯隐身衣是变换光学隐身衣的一种典型代表，主要通过模拟地面镜像散射特征，将目标与地面背景的镜像散射特征（幅度、相位和波前）深度融合在一起，无法区分，从而实现隐身，适用于地面目标隐身。然而基于光学变换理论的超材料隐身衣通常体积庞大、带宽窄、并受到奇异复合材料参数以及隐身目标尺寸等限制。
超表面由于其突变相位、平面结构和灵活的散射幅度、极化操控，具有强大的电磁波调控能力和广泛的调控自由度，为隐身衣设计和制备提供了新的范式和自由度。目前，超表面隐身衣主要通过改变隐身衣中每个单元的结构参数，从而实现不同的突变传输相位，用于补偿实现背景散射特征所需要的相位。但绝大多数超表面隐身衣均在特定工作极化下设计，单元的散射相位对极化非常敏感，极化的微小变化将导致相位发生剧变，当敌方雷达改变侦察电磁波的极化方向时，目标的隐身特性恶化甚至完全消失，从而暴露于极化捷变雷达。因此，实现任意曲率平台下（尤其是不规则形状）的全极化隐身是目前隐身衣设计的重要挑战（图1）。
近日，空军工程大学和西北工业大学、法国蔚蓝海岸大学、新加坡国立大学合作提出一种基于几何相位和传输相位的确定性极化不敏感隐身理论方法，基于该方法所设计的隐身衣在不同极化角的线极化波、圆极化波或椭圆极化波激发下均表现出优异的电磁隐身性能，同时将该理论方法、3D打印技术与柔性平面印刷电路板（PCB）工艺相结合最终在金字塔平台上实现了一体化三维隐身衣。
图1 任意曲率平台下的全极化隐身示意图
基于超材料的电磁隐身技术一直是国际研究热点，也是各国超材料研究争夺的制高点，在军事国防领域具有重要应用价值。
2006年J. Pendry和U. Leonhardt等在《Science》杂志分别独立报道了基于空间坐标扭曲变换的完美隐身理论方法（变换光学），开启了完美隐身衣设计的先河，基本理论依据是变换前后麦克斯韦方程组具有形式不变性。
2006年D. R. Smith等基于变换光学理论方法首次在微波段实现了完美隐身衣，文章再次发表在《Science》杂志，引起了全世界关注，但缺陷也非常显著，如需要复杂、奇点电磁材料参数，并表现出极端各向异性、突变非均匀性和以及窄带特性。
为拓展带宽并降低材料损耗，2009年T. J. Cui和D. R. Smith等基于非谐振性超材料在13~16GHz范围内实现了宽带地毯隐身衣，同年X. Zhang等基于介质超材料（硅片上打孔）在光波段实现了宽带、低损耗光波地毯隐身衣。尽管如此，块状、体积庞大以及隐身区域受限等缺陷并未得到有效解决，这是因为基于材料参数的变换光学从理论源头上给完美隐身带来的缺陷。
2011年F. Capasso等基于梯度超表面概念发现了广义Snell折射/反射定律，几乎同时L. Zhou等基于梯度超表面发现了空间波与表面波的高效转换规律。由于超表面依靠结构与电磁波相互作用产生的突变界面相位，不像传统材料那样依赖实际传输路径来积累相位，具有平面超薄和灵活强大的电磁波调控能力，近年来受到科学家和工程技术人员的青睐和广泛关注。
2015年，X. Zhang等首次基于非均匀超表面在光波段和任意曲率目标实现了超薄隐身衣，厚度只有工作波长的十分之一，且隐身区域没有理论限制，隐身衣再次荣登《Science》。
2016年，H. Chen等基于各向同性超表面实现了三维地毯隐身衣，使得经过隐身衣散射之后的电磁波能完美保持近似理想金属地板的极化、幅度和相位信息，但极化不敏感隐身特性仅能在有限特定线极化波下保持，而在其它极化波探测下（椭圆和圆极化波）并不能保持散射波的旋向特性。
2018年，X. Luo等基于可调技术和梯度超表面实现了可调地毯隐身衣，通过调控变容二极管的电压改变超表面的相位分布，不仅可以实现对平面金属板的隐身，还可以获得其它预设目标的散射信号，实现幻觉隐身。
2020年，智能自适应隐身成为了主流，H. Chen等基于可调超表面和衍射神经网络实现了基于机器学习的智能隐身，在不依赖人为操作情况下，快速动态适应变化的背景环境和外界刺激，实现自适应隐身；T. J. Cui等基于光电二极管加载的超表面技术实现了由光驱动的多种外部幻觉隐身效果。
综上，超表面隐身衣克服了块状超材料隐身的诸多缺陷，向实际应用迈进了一大步，然而由于隐身所需要的补偿相位均为特定极化下的电磁响应，对极化非常敏感。因此极化不敏感或全极化隐身是超表面隐身领域的重要科学问题，在隐身领域一直悬而未决。
由于各向同性超表面隐身衣并不能同时满足线极化、圆极化和其它任意椭圆极化波探测下的隐身特性，相反还极大限制了设计自由度。本文提出了基于几何相位和传输相位的确定性极化不敏感隐身理论方法，该方法的核心机理在于通过引入传输相位和几何相位实现超表面在两个正交旋向通道下的功能和相位解耦，然后在左旋和右旋通道上同时合成隐身衣所需的相同补偿相位，最终通过旋向解耦理论方法反演出超表面各个单元的结构参数和方位角信息，即隐身衣的拓扑结构。
由于任意极化状态的电磁波都可以分解为左、右旋圆极化波的线性叠加，因此左、右旋通道下隐身衣如果能保持散射电磁波的极化、幅度和相位与地面背景散射相同，理论上一定能保证其他任意极化电磁波照射下具有类似的散射特征。为验证我们的理论方法和假设，下面以一维和二维梯形为目标平台，通过用精心设计超表面隐身衣包裹目标，并在庞加莱球上显示的典型五种主要极化状态（包括x、y、45°线极化和左旋、右旋圆极化）下对比梯形隐身衣与裸金属梯形目标的数值计算和测试近场散射电场分布（图2），验证全极化隐身方法的正确性。
图2 本文梯形平台隐身衣在庞加莱球上五种典型极化处的数值计算近场分布
为保持隐身衣的极化和幅度恢复能力，尤其是圆极化波的反射旋向保持能力，单元在x、y线极化波激发下的幅度和相位必须满足|ryy|=|rxx|=1和φyy-φxx=180°。同时，线同极化体系通过引入传输相位和几何相位也能实现旋向相位解耦，但无法在线极化状态下保持散射电磁波的极化，故需要选择线交叉极化体系进行旋向相位合成，单元必须打破对称性。最后，为使得隐身衣具有大角度特性和角度不敏感特性，从而适应高低起伏的任意曲率平台，相邻单元必须具有弱耦合响应。综合上述因素，最终设计的隐身衣基本结构单元如图3所示，圆环形电谐振器沿45°对角线分布。当任意极化电磁波垂直入射时，沿正交晶轴方向极化的两个电磁波分量可激发对称和非对称两种模式，同时激发起的两种模式级联能显著拓展隐身衣的工作带宽。同时，45°对角线分布使得相邻单元间耦合非常弱，具有角度不敏感相位响应，适用于任意形状的目标隐身。因此，与以往报道的各向同性超表面隐身单元相比，本项目各向异性超表面单元不仅具备合成全极化工作相位要求，而且具有角度不敏感和宽频工作等优异特性。
图3 超表面隐身衣单元结构与电磁响应
为实现极化不敏感隐身衣，首先通过公式推导了交叉极化下的旋向解耦所需要的传输相位和几何相位计算公式。这里180°交叉极化传输相位φxy相位覆盖通过改变圆环开口张角β来实现，而通过改变单元方位角α可实现几何相位。实验中将3D打印技术和柔性PCB板技术相结合，在一维梯形和二维梯形金字塔平台上分别研制了两种超薄共形超表面。其中目标平台采用工程树脂ABS-M30通过3D打印一次成型，而共形超表面通过在柔性介质板上刻蚀金属结构实现，而最终隐身衣通过将柔性超表面、柔性地板和ABS-M30通过胶粘接在一起。
为对全极化隐身方法进行初步验证，首先基于一维梯形目标进行隐身衣设计，如图4所示。可以看到，四种极化下隐身衣在xz面内均能恢复平坦的散射平面波前，与裸金属平台的紊乱波前形成鲜明对比。为进一步验证本文方法的有效性，我们在二维梯形金字塔目标上精心设计了三维超表面隐身衣，如图5所示。与预期一致，隐身衣不仅在xz、yz面内恢复了平坦电磁波前，实现了完美隐身，在其他方位角竖直面内具有类似的隐身效果。不仅如此，我们还对隐身衣和裸金属平坦的远场散射结果进行了测试，从另一个角度来进行补充验证。所有情形下，仿真与数值模拟结果吻合良好，结果表明包裹隐身衣的金属目标远场散射方向图为笔状单波束，而裸金属目标具有明显的多波束散射特征。实验结果还表明，本文隐身衣具有20%的工作带宽，且具有角度不敏感性，在斜入射角为30°时隐身衣还能正常工作。
图4 一维梯形平台极化不敏感隐身衣在不同极化状态下的实验测试近场分布
图5 二维梯形金字塔平台三维极化不敏感隐身衣在不同极化状态下的实验测试近场分布
本文基于几何相位和传输相位的合成方法实现了隐身衣的全极化工作，同时将该理论方法与3D打印技术、柔性PCB工艺相结合，可以实现对任意形状平台的极化不敏感隐身。理论和实验均表明，该方法不受隐身形状和尺寸限制，解决了长期以来困扰人们的极化依赖隐身难题，为实现任意形状的超薄3D隐身衣开启了新思路，在阵地伪装与地面重要目标隐身领域具有重要应用。
本文第一作者为空军工程大学许河秀教授、新加坡国立大学博士后胡光维以及空军工程大学博士生王彦朝，通讯作者包括许河秀教授、法国Patrice Genevet教授、西北工业大学的黄维院士以及新加坡国立大学的仇成伟教授，合作者还有空军工程大学博士生王朝辉、硕士生王明照、王少杰，电子科技大学的黄勇军副教授。
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