基于氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）的光学透明编码超表面，通过吸收与散射的协同作用实现宽带雷达截面积的降低

《Materials Today Communications》：Optically transparent coding metasurface with absorption-scattering synergy for broadband radar cross-section reduction based on indium tin oxide

RCS缩减与光透明协同设计的超材料吸波器通过PSO算法优化单元排列，实现7-17.4GHz宽频带反射相位差180°±37°，结合ITO薄膜的微波吸收与散射调控，总厚度仅3.13mm，仿真实验均达-10dB以下缩减效果。

　　近年来，随着雷达探测技术的快速发展，电磁隐身技术成为了研究的热点领域。雷达散射截面（RCS）是衡量目标雷达可见性的关键参数，其值越低，意味着目标越难以被探测到。传统的微波吸收材料虽然在一定程度上能够降低RCS，但它们往往存在一些固有的缺陷，例如密度较高、有效吸收带宽较窄以及环境适应性较差等。这些限制使得传统材料难以满足新一代隐身设备的需求。因此，研究者们开始探索新型的材料结构，以实现更高效的RCS降低效果，同时兼顾光学透明度。

其中，超材料（metamaterials）因其能够对电磁波进行灵活操控而备受关注。超材料通常由亚波长尺度的结构单元组成，可以实现传统材料无法达到的电磁特性。在超材料中，二维超表面（metasurface）因其能够对电磁波的相位、振幅和极化进行精确控制而具有独特的优势。通过可编程的亚波长单元结构，超表面可以实现对电磁波的高效调控，从而为RCS降低提供新的思路。然而，如何在保持光学透明度的同时实现宽频带的吸收性能，仍然是一个重要的挑战。

针对这一问题，研究者们提出了多种解决方案。例如，使用透明导电氧化物（如氧化铟锡，ITO）作为吸收材料，能够有效平衡电磁调控功能与光学透明度之间的矛盾。在微波频段，ITO的适度导电性使其能够表现出欧姆损耗特性，同时通过结构设计可以激发电磁共振，从而实现RCS降低。此外，数字编码超表面（digital coding metasurface）作为一种新型的超表面结构，通过将连续的相位空间离散化为二进制“0”/“1”状态，实现了对电磁波的灵活调控，为宽频带RCS降低提供了理论基础。

在本研究中，设计了一种基于1位编码策略的光学透明超表面，以实现宽带RCS降低。该超表面结合了吸收和散射机制，通过协同调控电磁波的能量损耗和散射方向，实现了高效的RCS降低效果。具体来说，该超表面采用了三层层叠结构，由ITO编码超表面、微波反射层（MRL）和中间介电层组成。ITO薄膜覆盖在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，PET具有特定的介电特性，有助于提高吸收效率。中间介电层则用于调节电磁波的传播路径，增强吸收和散射的协同作用。

为了实现更高效的RCS降低，研究者们引入了粒子群优化（PSO）算法。PSO是一种基于群体智能的优化方法，通过模拟鸟群的觅食行为，寻找最优的解决方案。在本研究中，PSO算法用于优化超表面单元的排列方式，以实现最佳的散射特性。此外，阵列理论也被用于分析和优化超表面的结构，以提高其性能。通过合理的单元排列和结构设计，超表面能够在宽频段内实现高效的RCS降低，同时保持良好的光学透明度。

实验结果显示，该超表面在7–17.4?GHz频段内实现了RCS降低超过?10?dB，其总厚度仅为3.13?mm，表现出优异的性能。通过分析电场、磁场、功率损耗密度和表面电流方向的分布，研究者们进一步验证了该超表面的吸收机制和散射机制的有效性。结果显示，该超表面不仅能够有效降低RCS，还能够在保持光学透明度的同时，实现宽频带的吸收性能，为未来的电磁隐身技术提供了重要的参考。

在本研究中，设计的超表面采用了两种不同的单元结构，通过优化其参数，实现了反射相位差为180° ± 37°的效果，满足了RCS降低的相位抵消条件。此外，通过随机编码策略，将集中于后向散射的能量分布在整个空间域内，从而防止了定向反射的发生。这两种机制的协同作用，使得超表面在宽频段内实现了高效的RCS降低效果，同时保持了光学透明度。

为了进一步提高吸收性能，研究者们还引入了阵列理论，结合PSO算法，对超表面的结构进行优化。通过合理的设计，超表面能够在多个频率范围内实现有效的RCS降低，同时保持较低的厚度。这种优化策略不仅提高了吸收效率，还增强了超表面的环境适应性，使其能够在不同的应用场景中发挥更好的作用。

综上所述，本研究设计了一种基于1位编码策略的光学透明超表面，通过PSO算法和阵列理论的结合，实现了宽频带的RCS降低效果。该超表面在7–17.4?GHz频段内表现出优异的性能，其总厚度仅为3.13?mm，同时保持了较高的光学透明度。实验和理论分析表明，该超表面在微波吸收和散射方面均表现出良好的效果，其吸收机制包括欧姆损耗、电共振和磁共振。这些结果为未来的电磁隐身技术提供了重要的参考，并展示了该技术在RCS降低方面的巨大潜力。