超电磁材料在隐身技术中的应用

超电磁材料在隐身技术中的应用电气工程学院通信1101班邹光宗20114400126摘要：阐述传统隐身技术的理念和超电磁材料的基本概念与基本特性，超电磁材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其性质往往不主要决定于构成材料的成分与本征性质，而决定于其中的人工结构。分析、说明了超电磁材料隐身技术的基本原理、设计思路与理解方法。指出了目前超电磁材料隐身技术的研究进展，最后得出未来超电磁材料应用于隐身技术具有良好潜在应用前景的结论。关键词：超电磁；隐身技术；负折射；电磁吸收；介质引言：电磁波隐身的效果取决于3个方面，即高明的空气动力学设计、优秀的吸波材料和周到而先进的电子学装备，多年来人们遵守“隐身不是无形，而是难于探测和跟踪”的隐身理念。传统的吸波材料是电阻性或磁阻性的无源电磁波吸收原理，电磁波在介质中转换为热能，而达到波的吸收目的，如Salisbury吸收屏，Juamann多层吸收器以及基于磁性材料的微波吸收体。在平面吸收技术方面，多层金属薄膜、多层结构、铁氧体技术及其综合、阻抗加载技术等相继得到研究与不同程度的应用；应用金属薄膜的电阻特性与多层复合结构，采用频率选择表面等技术设计出多工作频率或特定工作频段的微波吸收体。1、研究目的自1980年起，美国人产生了使用“飞翼”的思想，即既无机身也无机尾，由于去掉了反射雷达波的边、角、突出表面，并配合使用碳化纤维与塑料合成的复合材料，雷达散射截面RCS可大大降低。1997年Tennant提出了一种新的方法来减小电磁波从平面表面的反射，称为相位开关屏(phase．switchedscreen)技术旧o；将微波器件引入微波吸收器的设计中，开创了可控吸收设计的思路，得到了很有吸引力的研究结果，微波吸收器件的小型化技术、集成化技术和自适应技术是其发展特点。近年来，俄罗斯、美国也不同程度地研究和应用等离子体隐身技术。目前研究人员争相研究超电磁材料，开发、利用其负折射等一些特性来进行隐身理论研究与设计。在西方电影《哈利波特》里，主角有一个可以用来隐身的斗篷，穿上后躲在里面，肉眼将无法看到。预计在不久的将来，人们将可能应用超电磁材料制作出这种隐身斗篷，并应用到飞机、军舰等军事等领域。2、研究现状近年来，发表的众多文献说明了超电磁材料隐身技术的研究进展。”，200606—21出版的《科学》杂志，米自托格兰圣安得鲁大学的理论物理学家里奥哈次，与伦敦帝国学院的JBPendry教授．分别在这一期顶尖学术刊物上发表论文．阐述他们对“隐身斗篷”理论基础的计算原理。英国的这2位科学家．各自假设电磁波如流水般在隐身材料表面流过．完全不受到隐丁其中的物体的干扰，据此推导出“隐身斗篷”材料所需具备的光学参数，隐身斗篷的雏形悄然出现。4个月后的《科学》杂志，美国杜克大学的史密斯教授小组再次发表论文向世人宣告微波隐身材料的诞生。他们运用JBPcndry教授的理论巧妙设计了符合计算结果的隐身材料。作他们的实验中．采用铜金属与玻璃纤维．创造了一卷甜甜圈似的圆环材料。探测器所得到的信号表示，微波经过圆环．恍若无物地会聚到圆环的另一侧，如若清泉石上流，汇聚于百岩另一侧一般．不留痕迹。2007—01—05，德国科学家在《科学》杂志±发表一种银基网状材料研究成果．该项研究成果代表着当时超电磁材料的研究水平，迈出了制造”隐身斗篷”的第一步．2009年1月的《科学》杂志，史密斯教授小组的刘苦鹏再次发表文章．将“隐身斗篷”所适宜的波段大幅度增大．但依然局限于对微波段光路的改变。2009年4月，加州大学伯克利分校的张翔救授以及其团队．首次实现了隐身材料可以在接近可见光的近红外波段工作，制作了一个反射型“隐身斗篷”他们在硅材料上钻很多纳米级长度的小孔，所制得的“隐身斗篷’覆盖于物体上，可使其背后物体水不对光波形成任何的散射。时隔半月，康奈尔大学里布森教授小组也发出了自己的论文．宣布他们采用如出一辙的办法，所制造的隐身材料的波段更加接近于可见光。这些研究成果不仅仪局限在“隐身斗篷”上．已经编制出准确设计新型人工趔电磁制料的软件应用这些超电磁材料．还可以设计三维的“隐身斗篷、隐形地毯、新型天线等。3、基本原理通过在物体表面包覆一层具有特殊设计的、具有一定介电常敬和磁导率分布的材料使入射光或电磁被将被弯曲，并且绕过包覆层．从而出现隐身的结果。其原理如图2。然而，什么样的非均匀电磁材料才能实现“隐身斗篷”呢？这种复杂的计算和设计的要求已经不能用直接想像的方法构建。因此．就会从电磁空问．兄外一个角度看待电磁材料的意义。例如，对于光密材料，知道光走的速度会慢．波长会短，其实，从另一个角度，也就是说．电磁渡在这种媒质里面传播时，看到的空问似乎是被压缩一样。同样，用电磁材料扭曲电磁波传播时所看到的空间，当然．真正的空间扭曲．如果还希望从自南空间作为变换的起点，不慢要求折射率有一定的比例关系，还要要求阻抗始终保持一样，因此需要同时变换介电常数和磁导率。变换后网格畸变与电磁波传播如图3．采用2GHz横电磁波TE入射，进行仿真分析，分布电场的结果如图4。4、未来展望如果完美的“隐身斗篷”终于有一天变成了现实，“隐身斗篷”发明的利弊，如同炸药、枪支等发明，其本身并没有是非，对错只在于使用它的人类。同时，当“隐身斗篷”飞速发展时，反隐身技术也会随之迅猛前进。且让人们心存希望，期盼“隐身斗篷”研究的更多进展，也期盼所有的忧虑并不成真。不过，目前这种“隐身斗篷”还只能在“微波领域”隐身，它还不能避开可见光，也就是说，现在它还不能在人们的面前实现“隐身”的特效，要设计出可以避开可见光的大衣还需要相当长的时间。从超材料兴起到隐身材料变为现实，不过短短10年时间，虽然目前已问世的“隐身斗篷”尚不能覆盖住一根手指，也依然无法实现对可见光的隐身。但是，未来在军事上，飞机、坦克等目标都可以通过隐身技术在敌人的眼前彻底消失；在民用上，类似的原理可用于屏蔽辐射、无线通信、医学成像、无损检测、汽车防撞雷达等。