隐身斗篷的研究进展及存在问题 摘要：隐身斗篷，由硅纳米材料制造而成，利用该特殊材料折射或吸收大部分光线，从而达到隐形的目的。

本文主要总结归纳现如今应用于隐身斗篷的各种主要材料，详细论述了基于超材料特殊电磁特性的隐身技术，简单介绍部分材料应用原理。

关键词：影身斗篷，超材料，限元分析软件，均匀介质1. 隐身斗篷的应用前景 隐形斗篷我其实是在电影Harry Potter 中第一次知道，它常被哈利拿来干一些从霍格华兹魔法学校里偷跑出来如此的事情。

现实中科学家们也一直在研究它。

在不远的将来，隐身斗篷将会真的存在于现实世界中了。

而且隐身斗篷的应用前景非常广。

隐身技术在外科手术，军事航空等多个领域中获得广泛的应用。

例如， “地震斗篷”——能够让冲击波、暴风浪或者海啸在所遮蔽的物体面前变成“瞎子”，进而达到保护建筑物的目的。

同时为提高战场生存能力, 隐身技术越来越多地应用于军用装备上。

随着军用探测技术的不断进步, 对军用装备隐身性能的要求不断提高, 传统的隐身技术已经不能满足要求。

2. 隐身材料及其隐身原理2.1 超材料众所周知,介电常数和磁导率是用于描述物质电磁特性的基本物理量,决定着电磁波在物质中的传播特性。

迄今为止,自然界中天然物质的介电常数和磁导率均大于或等于1。

2000年,Smith 等人利用金属铜的开环共振器和导线组成2 维周期性结构,首次在实验室制造出微波频段具有负介电常数和负磁导率的介质材料,引起科学界的轰动。

随后,双负材料、单负材料、手性材料、理想磁导体和理想电导体等材料成为科学研究的热点，并将这些材料统称为超材料(metamaterials)。

由于超材料具有一系列特殊的电磁特性,因而具有广阔的应用前景。

2.1.1超材料椭圆柱电磁斗篷文献[1]利用有限元分析软件Comsol Multiphysics 分析了超材料介电常数偏差、磁导率偏差和损耗对电磁斗篷场分布的影响,并讨论了在电磁斗篷内放置不同电磁特性的物体后斗篷外电场分布的变化。

图1 为TE 波辐射下超材料椭圆柱电磁斗篷的计算模型。

超材料椭圆柱是沿z 轴放置的无限长空心柱,其横截面为xOy 平面,椭圆中心为坐标原点,内外径短轴分别为a 和b ,长轴分别为ka 和kb ,其中, k 为长轴与短轴之比,仿真时取k = 6 , a=0. 1 m ,b = 0. 2 m 。

在图1 所示的左边完全匹配 层( PML) 的内表面施加沿z 轴方向电流,激励起沿x 轴方向(水平) 传播的频率为2 GHz 的TE 波。

计算区域四周是PML 吸收层,斗篷内外均为空气。

通过文献[1]计算可知，超材料介电常数和磁导率空间分布如图2所示。

图2 (a) 为介电常数分量在xOy 平面上的空间分布,由图可以看出,在x = 0 或y = 0 的平面上xx 最小,同时在两图1 TE 波辐射下超材料椭圆柱电磁斗篷的计平面之间xx ε存在4 个极大值点,且由内到外xx ε的分布由大到小变化;图2 (b) 为介电常数分量xy ε在xOy 平面上的空间分布,由图可以看出,在xOy 平面上的第一、三象限内xy ε最大,二、四象限内xy ε 最小且为负值,同时由内到外xy ε的绝对值分布由大到小变化;图2 (c) 为介电常数分量在xOy 平面上的空间分布,由图可以看出,在x = 0 的平面yy ε 存在最大值, y = 0 的平面上yy ε 存在最小值,并且由内到外yy ε 的分布由大到小变化;图2 (d) 为磁导率z μ在xOy 平面上的空间分布,由图可以看出,z μ由内到外逐步增大,并且在)()(1222b r a r ky x ≤≤=+的曲线上z μ 相等。

利用有限元分析并可计算得到如图3所示电场E z 沿传播方向x 的分布。

由图3 可以看出,电磁波从左向右传播遇到超材料电磁斗篷时,电磁波的等相位面发生了弯曲,越靠近椭圆中心弯曲越大(即光线发生了弯曲) ,电磁波不能进入电磁斗篷内。

2.1.2超材料正方形电磁斗篷文献[2]利用有限元分析软件Comsol Multip hysics 分析了超材料介电常数偏差、磁导率偏差和损耗对电磁斗篷场分布的影响,并讨论了在电磁斗篷内放置不同电磁特性的物体时斗篷外电场分布的变化。

图4 为TE 波辐射下超材料正方形电磁斗篷的计算模型。

超材料正方形柱是沿z 轴放置的无限长空心柱,其横截面为位于x oy 平面的正方形环,其中心为坐标原点, 内外边长分别为0106 m 和0112 m ,斗篷内外均为空气。

在图4 所示的左边完全匹配层(PML) 的内表面施加沿z 轴方向电流,激励起沿x 轴方向(水图3计算区域内电场分布 图4TE波辐射下正方形超材图2 超材料的介电常数和磁导率的空间分布平) 传播的频率为2 GHz 的TE 波。

计算区域四周是PML 吸收层。

通过文献[2]计算可知，(内边长为0106 m ,外边长为0112 m) 超材料的介电常数和磁导率的空间分布。

图5 (a) 为磁导率分量xx μ在x oy 平面上的空间分布,由图可以看出,xx μ 的空间分布关于x = 0 和y = 0 的平面对称;图5 (b) 为磁导率分量yy μ在x oy 平面上的空间分布,由图可以看出,yy μ 的空间分布也是关于x = 0和y = 0 的平面对称;图5 (c) 为介电常数分量z ε在x oy 平面上的空间分布,由图可以看出,z ε具有轴对称和中心对称性,且z ε 的分布由内到外逐步变大。

采用图4 所示模型,可计算得到图6 所示电场E z 沿传播方向x 的分布。

由图6可以看出,电磁波从左向右传播遇到超材料电磁斗篷时,电磁波的等相位面发生了弯曲(即光线发生了弯曲) ,电磁波不能进入电磁斗篷内。

2.2 均匀介质隐身斗篷2006年英国伦敦大学帝国学院的约翰•彭德里(J.B.Pendry)和美国杜克大学的戴维•舒里希(D.Schuring)、戴维•史密斯(D.R.Smith)等人[3]提出了一种基于坐标变换实现隐身的新思想。

借助于坐标变换原理及爱因斯坦的相对论，通过特殊的传播媒介可以任意控制电磁波的传播方向，这样可以实现波在传播时绕过某一固定区域，从而实现隐身。

利用这种隐身机制设计出的电磁隐身斗篷实现了真正意义上的隐身，理论上不存在任何散射且与入射波的频率无关，同时可以使任意物体实现隐身，理想隐身斗篷的介质材料必须是非均匀各向异性，且介电常数和磁导率都是随着位置的变化而变化，在自然界中不存在这样的介质，这就给隐身斗篷的实现带来很大的难度。

基于等效介质理论，我们可以运用均匀同性介质来近似等效非均匀各向异性介质，可以用均匀同性介质来实现隐身斗篷。

均匀介质的等效方法可以将两种介质的厚度之比η固定，即介质材料层的厚度是固定的，通过介质材料的介电常数变化来实现。

令η=1，假定隐身斗篷的内半径λ=a ，外半径λ2=b ，此 421=+εε图6 计算区域内电场分布图4 TE 波辐射下正方形超材料斗篷计算模型图5 超材料磁导率和介电常数的空间分布221)(4ra r -=εε…………………………………（1） 由于介电常数在r 方向是连续非线性变化，先将圆柱斗篷分成10层离散层，用离散的参数值来逼近理想的呈非线性变化的介电常数值，如图5所示。

每层之间的介电常数就是一个固定值，然后针对每一个离散层，运用等效介质理论用均匀各向同性的介质来等效非均匀各向异性介质，通过式(1)，计算得到每层的介电常数值。

对于每一层再用2N 层均匀同性介质来等效。

2.3 人工电磁材料近年来, 变换光学理论( TransformationOptics) 和人工电磁材料设计的进展为完全隐身的实现提供了一种设计思路———电磁隐身斗篷(invisibility elect romagnetic cloaks) [4]。

其基本思路是基于Maxwell 方程组在不同空间下的形式不变性,将虚拟空间中的一个实心区域压缩变换到物理空间(现实空间) 中的一个空心区域,该空心区域具有特定的各向异性非均匀介电常数和磁导率,就是要设计的隐身斗篷。

人工电磁材料的介电常数和磁导率可以通过对其单元结构的设计来灵活控制,因此自然成为隐身斗篷的最佳实现手段。

它具有如下两个特点:(1) 电磁波一旦进入壳中,就会围绕着壳中的空心区域前进,而不会进入该区域。

因此电磁波不会与隐藏在壳内的物体发生任何相互作用。

(2) 当电磁波从壳中穿出时,总回到它原来的路径并沿着该路径前进。

因此,斗篷对壳外的电磁波不会产生任何扰动,既不反射散射电磁波,也不吸收电磁波,也不产生阴影效应。

由以上两个特点可知,无论斗篷里隐藏着什么物体,理论上斗篷对外部入射电磁波的散射截面在各方向上都为零,从而实现真正意义上的完全隐身。

2.4 频率选择表面频率选择表面[5]( FrequencySelective Surfaces, FSS)是在导电金属表面上周期性地刻蚀缝隙或粘贴金属贴片单元, 形成“电振子结构”, 其电性能因表面的周期性而受到调制。

当入射电磁波频率在单元的谐振频率上时, FSS 呈现出全反射(贴片型)或全透射(孔径型) , 其它频率的电磁波可透过FSS(贴片型)或被全反射(孔径型) , 因此,FSS 对入射电磁波呈现出滤波器的功能。

FSS 已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中, 是目前研究中的热点问题, 尤其是FSS 雷达罩的研究工作[ 1 ] 。

为实现雷达天线的隐身, 可在雷达罩的设计中加载FSS, 也可以在现有雷达罩上加载FSS 。

此时的FSS 对雷达的工作频段提供带通的传输特性, 而带外频率几乎被完全反射掉。

将FSS 与雷达罩结合在一起可以有效地缩减自身的RCS,从而起到对雷达波隐身的作用,同时也因为屏蔽掉了工作频段以外的有害电磁波而提高了抗干扰能力。

不仅如此, 频率选择表面还可与雷达吸波材料配合使用, 以改善吸波材料的吸波性能。

图5 10层离散介质逼近理想介质参数分布2.5 光子晶体光子晶体[5]是一种人工晶体,它是由介电材料的周期排列而构成的,如图1所示。

在光子晶体中, 介电常数在空间周期性地变化, 当其变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时, 介质的布喇格散射将会产生带隙, 即光子带隙( PBG)光子晶体的最基本特征是具有光子带隙, 带隙中没有任何光子态存在, 频率落在光子带隙中的电磁波的自发辐射会被完全抑制。

由于光子带隙的存在, 使得电磁波在带隙中不能传播, 而在带隙外有着较高的透过率。

如果在光子晶体引入某种缺陷, 其原有的周期性或对称性就会受到破坏, 其光子带隙中就有可能出现频率极窄的缺陷态。

正是这些独特的性质使得光子晶体在可见光、红外和雷达隐身领域具备了应用的潜力。

自从光子晶体的概念形成以后, 人们就不断探索利用光子晶体实现抑制、调制或增强光辐射等。