文章摘要：

基于谐振单元的超材料在波束控制和紧凑型隐身应用中存在固有局限，其核心问题在于单元面内尺寸与反射特性存在强关联性。为此，本研究提出一种基于铁磁电介质（ferromagnetic dielectric, FD）的无谐振器超材料，通过调控界面干涉实现幅度与相位的解耦，从而使相位调制摆脱对 FD 单元面内尺寸的依赖。

通过引入恒定相位梯度并调整单元尺寸，反射波可被偏转，甚至转化为沿超材料界面传播的表面波。这一特性催生了一种新型电磁损耗机制：反射能量在有损耗的铁磁电介质中水平传播，进而被强制衰减。仿真与实验结果验证了该现象 —— 平均功率损耗密度提升 36.64%，最小反射损耗达 - 52 dB。

此外，研究验证了铁磁电介质单元在紧凑型隐身斗篷中的有效性，并提出一种共形曲面隐身策略：仅需调整单元尺寸，即可实现任意形状目标的散射场伪装。由于不依赖谐振器，该超材料具备跨尺度小型化优势（面内尺寸 <λ/12），这对紧凑型电磁防御系统而言是一项关键突破。

研究背景：

随着现代电子设备在通信、导航和探测等领域的广泛应用，各种电磁防御技术得以发展，以应对辐射和干扰的不利影响，超材料因其在操纵电磁波方面的卓越能力受到了广泛研究关注。

基于谐振单元的超材料在波束控制和紧凑型隐身应用中，存在固有的局限性，其单元面内尺寸与反射特性（幅度和相位）存在强相关性。现有人工结构单元通过精确设计的亚波长结构调节电磁波与结构的相互作用，当入射频率接近单元的固有谐振频率时，会通过激发电、磁等离激元或混合谐振产生强烈的局域场增强，但谐振控制本质上依赖于结构与波长的强相关性，过度减小单元面内尺寸会使单元失去对入射波的响应能力。

虽然一些策略在微波频段对减小单元面内尺寸有一定帮助，如分形图案化、堆叠结构和有源器件复合，以及通过调整几何尺寸控制电感和电容、通过增加相对介电常数压缩谐振尺寸等，但这些策略无法消除单元面内尺寸与谐振波长之间的根本相互依赖关系，且谐振单元设计难以同时整合带宽控制、相位梯度精度和电磁损耗等关键功能，使得单元面内尺寸的小型化和调谐更具挑战性，严重阻碍了跨尺度突破的进展。

研究内容：

1.材料的设计与制备

1）设计思路：提出基于铁磁电介质（FDs）的无谐振器超材料（FDM），通过组分 - 结构双向调制策略解耦反射幅度和相位，实现独立于单元面内尺寸的相位调制，利用界面干涉调控电磁波，诱导表面波实现强制性电磁损耗。

2）制备过程：将羰基铁颗粒（CIPs）与水性聚氨酯（PU）按 1:1 至 4:1 的比例混合，经机械搅拌和超声分散后加入固化剂，浇筑成复合材料；用激光切割制成不同宽度的条状单元，排列在铝板上组装成 FDM。

2.性能表现

1）相位调制：实现 2π 全相位覆盖，相位调制不受单元面内尺寸限制，能精准调控反射角。

2）表面波与损耗：当相位周期数（Cphase）=10 时，反射波转化为表面波，M 平面平均功率损耗密度较 Cphase=0 时增加 36.64%，最小反射损耗达 - 52 dB，有效吸收带宽为 8.1-15.5 GHz，双站雷达散射截面在全方向均低于 - 10 dB。

3）隐身效果：可使三角形棱镜等目标的散射场与背景回波匹配，弯曲隐身斗篷能将曲面波前重构为平面波前，实现良好的隐身伪装。

3.机理分析：

1）相位调制机理：铁磁电介质的反射相位主要由光程差决定，与面内尺寸无关；通过调整 CIPs 与 PU 的比例及引入非均匀厚度设计，实现幅度和相位的独立调节。

2）表面波与损耗机理：当 Cphase=10 时，反射角达 90°，反射波转为表面波沿界面传播，使反射能量二次进入材料，形成二次损耗，提升损耗效率。

3）隐身机理：利用斜入射下的散射场分布，调控反射角使目标散射场与背景回波匹配，“渐变 dx 曲面适配” 策略通过调整单元尺寸补偿曲面相位差，实现隐身。

结论：

1. 思路创新：提出基于铁磁电介质的无谐振器超材料设计，通过组分 - 结构双向调制策略解耦反射幅度和相位，打破传统谐振单元面内尺寸与反射特性的强相关性，实现独立于单元面内尺寸的相位调控。同时，基于铁磁电介质单元尺寸无关特性，提出 “渐变 dx 曲面适配” 方法，解决曲面目标相位补偿难题，为超材料设计提供了新范式。

2. 性能突破：在性能上实现多重突破，通过诱导表面波建立二次耗散路径，使体损耗密度提升 36.64%，反射损耗达 - 52 dB，且拥有 7.4 GHz 超宽带工作范围。单元尺寸实现跨尺度缩小（<λ/12），能精准控制反射波角度，在斜入射场景下可重构波前，将弯曲目标的弯曲波前转化为平面波前，显著提升了电磁操控和隐身性能。

3. 应用前景：在电磁防御领域展现出广阔应用前景，可用于构建紧凑型隐身斗篷，实现任意形状目标在背景回波下的几何伪装，有效应对单站和双站雷达探测。其无需谐振结构的设计简化了制备流程，且与 conformal 和柔性系统兼容，为小型化、宽带化的电磁防护设备开发提供了可扩展框架，在通信、导航、探测等领域有潜在应用价值。

图文速览：

图 1.a) 铁磁电介质膜（FDM）的制备流程。b) 羰基铁粉（CIPs）与聚氨酯（PU）复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图像。c) 铁磁电介质膜（FDM）的光学图像。d) 目标相位差 dφ=180° 的相位差计算模型及结果。针对目标相位差 dφ=90°：e) 相位差计算模型；f) 所有存在的相位差组合的标准差；g) 具有最优标准差的单元组合的相位与幅度。h) 无厚度尺寸限制的相位差计算模型。i) 非均匀厚度系统中的相移模型；j) 非均匀厚度系统的计算结果。

图 2. a) 所提出单元组合的反射相位与幅度。b) 不同 C 相位的铁磁电介质膜（FDM）对应的反射角（θr）及主波束电场强度。c) 通过在理想导电板（PEC）背板上覆盖多种此类 C 相位组合构成 FDM，可诱导回波的异常反射。C 相位分别为 d) 0、e) 5、f) 10 时 FDM 的近场仿真结果。g) C 相位 = 10 时 FDM 的表面电场仿真结果。h) C 相位 = 0、5、10 时 FDM 表面的电场与磁场强度。

图 3. a) 铁磁电介质膜（FDM）的 E 面与 M 面示意图。b) C 相位分别为 0、1、5、10 时，FDM 中所有单元的功率损耗密度（PLD）。c) M 面内 C 相位 = 1–12 时 FDM 的 PLD 场分布；d) 对应 M 面内的平均 PLD。e) 铁磁电介质（FD）中本征损耗与二次损耗的示意图模型。f) 不同方向平面波端口激励下 FDM 单元组合的仿真建模图；g) 对应的 PLD 仿真结果。h) C 相位 = 5 和 10 时 FDM 的反射损耗（RL）对比。i) C 相位 = 1–10 时 FDM 的有效吸收带宽（EAB）与最小反射损耗（RL）。j) C 相位 = 5 和 10 时 FDM 在 M 面内的远场截面。k) 散射场测试场景示意图。

图 4. a) 斜入射示意图。b) 不同入射角（θi）下的反射角（θr）及散射场电场强度。c) 理想导电板（PEC）和 d) 铁磁电介质隐身斗篷（FDSC）在均匀平面波垂直入射时的近场截面图。e) PEC 和 f) FDSC 的远场分布。g) 隐身斗篷样品及远场测量场景。h) 任意形状物体及不同单元尺寸增量（dx）的近似模型。i) 隐身斗篷对单元尺寸增量（dx）的要求。

图 5. a) 针对曲面目标，相位差（dφ）沿曲面截面分布以实现波束伪装。b) 在恒定相位差（dφ）下，用于曲面共形隐身的梯度化单元尺寸增量（dx）。c) 曲面目标各单元的计算入射角（θi）与单元尺寸增量（dx）值。d) 基于铁磁电介质（FD）的曲面隐身斗篷样品。e) 具有梯度化单元尺寸增量（dx）的单元组合。f) 曲面理想导电板（PEC）和 g) 铁磁电介质曲面隐身斗篷（FDCSC）在均匀平面波垂直入射时的近场截面图。h) 曲面 PEC 和 i) 曲面 FDCSC 的远场分布。

【引用】：Wei Chen, Yuping Duan*, Shude Gu, Min Zhang, Chenyang Xia. Resonator-Free Metamaterials Based on Ferromagnetic Dielectrics for Mandatory Microwave Loss and Compact Stealth Cloaks. Advanced Materials. 2025, 2507366.