電磁隱身超材料

1、雷達(dá)專題 課程匯報(bào) 雷達(dá)隱身超材料 匯報(bào)人：陳偉康匯報(bào)人：陳偉康 目錄 CONTEN T 0102 0304 新型人工電磁 材料介紹 雷達(dá)隱身材料 發(fā)展和現(xiàn)狀 結(jié)合自己的研 究工作 總結(jié)與展望 Part 1 新型人工 電磁材料 1.1 新型人工電磁材料(Metamaterial) Part One 新型人工電磁材料又稱超材料，是一種由尺寸遠(yuǎn)小于波長的單元結(jié) 構(gòu)周期或非周期排列而成的人工復(fù)合材料，具有自然界材料所不具備的 超常物理性質(zhì)。 這些人工結(jié)構(gòu)單元與傳統(tǒng)材料的原子、分子功能類似，當(dāng)它們按照 周期性或非周期性排列并且尺寸遠(yuǎn)小于波長時，宏觀上可以看作均勻的 媒質(zhì)或材料。 通過單元結(jié)構(gòu)與電磁波的

2、相互作用，新型人工電磁材料能夠?qū)崿F(xiàn)自 然材料或化學(xué)合成材料無法具備的奇異物理特性。因此，它提供了一種 全新的材料設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)實(shí)際需求，按照人的意志來設(shè)計(jì)材料的 特殊性質(zhì)。 1.1 新型人工電磁材料(Metamaterial) Part One 圖1.1 以介電常數(shù)和磁導(dǎo)率劃分的媒質(zhì)參數(shù)空間 區(qū)域 I 中的材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為 正，包含了絕大多數(shù)的介質(zhì)材料； 區(qū)域 II 包含了電等離子體，如金屬、鐵 電材料、摻雜半導(dǎo)體等，這些材料在低于等 離子頻率的頻段存在負(fù)介電常數(shù)； 區(qū)域 IV 包含著磁等離子體，這些材料的 磁響應(yīng)在遠(yuǎn)離微波頻率時迅速衰減，使材料 呈現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率； 最引人注目的是

3、象限 III，介電常數(shù)和磁 導(dǎo)率同時為負(fù)，而自然界中不存在具有這種 性質(zhì)的材料。 1.2 左手材料 Part One 2001 年，D. R. Smith教授通過金屬線和 開口諧振環(huán)的組合結(jié)構(gòu)，第一次真正意義上實(shí) 現(xiàn)了人工的左手材料，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折 射現(xiàn)象的存在。 圖1.2 左手材料單元 1.2 左手材料 Part One 當(dāng)電磁波在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的媒質(zhì)中傳播，電場 E 、 磁場 H 以及波矢量 k 符合左手定則。 電磁波在左手材料中傳播時具有了與坡 印廷矢量 S 方向相反的波矢量 k ，因而會 引起一系列不同尋常的電磁特性，如: 負(fù)折射、逆 Snell 效應(yīng)、逆 Doppl

4、er 效應(yīng)、 反向切倫科夫輻射等。 1.3 工作回顧1 Part One 新型人工電磁材料的一次重大革命是2005年D. R. Smith 教授發(fā)現(xiàn)漸變折射率的媒質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波束的偏折。 2006年，Smith教授采用漸變折射率的新型人工電磁 材料研制出了應(yīng)用在微波波段的隱身斗篷，能夠使電磁 波繞過目標(biāo)傳播，從而實(shí)現(xiàn)隱身。 Schurig D, Mock J J, Justice B J, et al. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequenciesJ. Science, 2006, 314(5801):977-980.

5、 2009 年初，美國普渡大學(xué)的兩位學(xué)者提出了桌面黑洞的理論，如同宇宙黑洞改變物體 運(yùn)動軌跡一樣，桌面黑洞可以使得光線改變傳播路徑，向黑洞中心螺旋前進(jìn)，直至傳播到 中心被內(nèi)核吸收。東南大學(xué)程強(qiáng)教授等人在此原理上構(gòu)造了微波波段的“人工電磁黑洞”。 采用諧振或非諧振的新型人工電磁材料單元構(gòu)成同軸環(huán)，共 60 個同軸環(huán)組成電磁黑洞，內(nèi) 部同軸環(huán)為吸收體，外部同軸環(huán)構(gòu)成外殼。該人工電磁黑洞能夠吸收 99%的電磁波。圖為 其實(shí)物圖和吸收場分布圖。 1.3 工作回顧2 Part One Cheng Q, Cui T J, Jiang W X, et al. An omnidirectional elect

6、romagnetic absorber made of metamaterials J. New Journal of Physics, 2010, 12(11): 1749-1751. 1.4 新型人工電磁表面 (Metasurface) Part One 新型人工電磁表面的一個標(biāo)志性進(jìn)展是2011年提出通 過人工電磁表面諧振單元的設(shè)計(jì)引入相位梯度，利用不 同位置的相位梯度來實(shí)現(xiàn)電磁波的異常反射、折射現(xiàn)象。 Yu N, Genevet P, Kats M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized l

7、aws of reflection and refractionJ. Science, 2011, 334(6054):333-337. 1.4 新型人工電磁表面的優(yōu)勢 (Metasurface) Part One 新型人工電磁材料是通過控制材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)奇異的物理特 性，而根據(jù)廣義的反射和折射定律，新型人工電磁表面能夠通過諧振單元引入相 位突變，控制表面不同位置的折射或反射相位來實(shí)現(xiàn)空間電磁波的調(diào)控，因而設(shè) 計(jì)更加方便靈活。廣義反射和折射定律的理論一經(jīng)提出，迅速引起了世界范圍內(nèi) 的關(guān)注。 新型人工電磁表面憑借著獨(dú)特的物理性質(zhì)，在操縱電磁波的幅度、相位、極 化、波態(tài)、方向等方面展

8、示出自由靈活的優(yōu)越性，為新型人工電磁材料的發(fā)展注 入了新的活力，在新型電磁隱身、微波和太赫茲器件、光電子器件等諸多領(lǐng)域具 有廣闊的發(fā)展前景。 Part 2 雷達(dá)隱身 2.1 雷達(dá)隱身技術(shù)介紹 Part Two 雷達(dá)隱身的本質(zhì)是利用各種手段減少目標(biāo)的回波信號，從而使敵方雷達(dá)無法 準(zhǔn)確探測。目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)就是表征目標(biāo)雷達(dá)回波強(qiáng)弱的物理量。 雷達(dá)散射截面的常用單位是 m2，由于其變化劇烈，動態(tài)范圍很大，因而常 用分貝形式表示，單位是 dBsm，表示為 RCS縮減10dB意味著減少了90%的散射功率，返回的只剩1/10，極大地降低了目 標(biāo)被探測到的可能性。 2 2 (m ) (dBsm)

9、10lg 1(m ) 心得體會 Part Two 2 1/4ttr max 3 min PG G R (4 ) P 整理雷達(dá)方程可得雷 達(dá)最大作用距離為 因此，降低目標(biāo)自身的 RCS 是減小雷達(dá)探測距離 的有效手段。 2.2 傳統(tǒng)電磁隱身方法介紹 Part Two 整形 雷達(dá)吸波材料無源阻抗加載有源阻抗加載 整形是通過修整 目標(biāo)的形狀輪廓、 邊緣以及表面， 使其在雷達(dá)主要 威脅的方向上獲 得后向散射的縮 減。 雷達(dá)吸波材料是抑 制目標(biāo)鏡面反射最 有效的方法，將電 磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗 散掉，或者利用電 磁波的干涉效應(yīng)， 減小散射或反射回 雷達(dá)的能量。 在目標(biāo)表面進(jìn)行開 槽、接諧振腔等設(shè) 計(jì)能夠改變

10、表面電 流分布，縮減給定 方向的散射，這種 方法稱作無源阻抗 加載。 在目標(biāo)上加載有源 設(shè)備，產(chǎn)生一個與 回波信號反相的電 磁波來抵消目標(biāo)本 身的散射場，則稱 為有源阻抗加載。 Part Two 2.3 超材料電磁隱身技術(shù) 完美吸波材料 人工磁導(dǎo)體復(fù)合材料 地幔斗篷 梯度型人工電磁表面 隨機(jī)表面 2.3.1 完美吸波材料(PMA) Part Two 其單元結(jié)構(gòu)由電諧振器、損耗型介質(zhì)和 金屬微帶線構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖和吸收率如 圖所示。PMA通過改變單元結(jié)構(gòu)來調(diào)控磁諧 振和電諧振，使得 從而與自由空 間的波阻抗相匹配，降低入射電磁波反射率, 再利用材料內(nèi)部的歐姆損耗和介質(zhì)損耗實(shí)現(xiàn) 對電磁波的強(qiáng)烈吸

11、收。 該吸波材料的厚度可以僅有 1/35 的工作 波長，在 GHz 窄頻段內(nèi)能實(shí)現(xiàn)接近 100%的 吸收率。 ( )( ) Landy N I, Sajuyigbe S, Mock J J, et al. Perfect metamaterial absorberJ. Physical Review Letters, 2008, 100(20):207402. 2.3.2 人工磁導(dǎo)體復(fù)合材料(AMC) Part Two 人工磁導(dǎo)體(AMC)即高阻抗表面，由 特定形狀的單元結(jié)構(gòu)周期性排列而成。 2007年，Paquay等人首次提出將AMC 應(yīng)用于減小目標(biāo)RCS中。AMC的反射相位 為0,而理想電

12、導(dǎo)體(PEC)的反射相位為 180，將這兩種反射相位相差180的單元 組合成棋盤結(jié)構(gòu)，反射波能夠相互干涉， 使來波能量衰減,同時將后向散射峰轉(zhuǎn)移到 其他方向。能夠顯著減小后向雷達(dá)散射截 面，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的隱身。 Paquay M, Iriarte J C, Ederra I, et al. Thin AMC Structure for Radar Cross-Section ReductionJ. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2007, 55(12):3630-3638. 2.3.3 地幔斗篷(Mantle cloaks） Part T

13、wo 地幔斗篷的概念由Andrea Alu在 2009 年首次提出。該方法使用超薄共形的新型人 工電磁表面覆蓋隱身目標(biāo)，通過調(diào)整表面單 元的形狀和尺寸，合成有效的平均表面阻抗, 來調(diào)節(jié)新型人工電磁表面上的表面電流。斗 篷上產(chǎn)生反相的散射場與隱身目標(biāo)的散射場 產(chǎn)生相消干涉，因此減少了整個系統(tǒng)的可見 性。 對于不同的隱身目標(biāo)，都需要特殊設(shè)計(jì) 外部的隱身罩，一定程度限制了其在隱身中 的實(shí)際應(yīng)用。 Al A. Mantle cloak: Invisibility induced by a surfaceJ. Physical Review B, 2009, 80(24). 2.3.4 梯度型人工電磁表

14、面 Part Two 2011年，F(xiàn). Capasso 提出了廣義的反射 和折射定律，通過具有相位梯度的新型人工 電磁表面實(shí)現(xiàn)了電磁波異常的反射和折射現(xiàn) 象。即在新型人工電磁表面的諧振單元間引 入相位突變，構(gòu)成相位梯度人工電磁表面， 可以實(shí)現(xiàn)對空間電磁波的靈活控制。 相位梯度人工電磁表面可將入射電磁波 耦合為表面波或使入射電磁波的反射方向發(fā) 生偏折，具有不同于傳統(tǒng)材料表面的散射特 性，在隱身技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 Zhang J, Lei Mei Z, Ru Zhang W, et al. An ultrathin directional carpet cloak based on gen

15、eralized Snells lawJ. Applied Physics Letters, 2013, 103(15):1780. 2.3.5 隨機(jī)編碼超表面 Part Two 2008年，劉若鵬提出一種新型人工電磁 表面，利用表面電磁參數(shù)的非均勻分布來實(shí) 現(xiàn)表面折射率梯度的隨機(jī)分布，該表面覆蓋 在金屬板上能夠使反射波呈現(xiàn)漫反射的效應(yīng), 從而明顯抑制后向散射。 2014年，東南大學(xué)崔鐵軍教授等人提出 了新型數(shù)字編碼可編程人工電磁表面。繼而 通過來整體控制加載過開關(guān)二極管 的可重構(gòu)碼元結(jié)構(gòu)單元，來實(shí)現(xiàn)可編程的數(shù) 字化新型人工電磁表面。 (a) 000000/000000 (or 111111/

16、111111, (b)010101/010101, (c) 010101/101010, Sun H, Gu C, Chen X, et al. Broadband and Broad-angle Polarization- independent Metasurface for Radar Cross Section ReductionJ. Scientific Reports, 2017, 7. Part 3 目前工作 用于縮減RCS的極化轉(zhuǎn)化超表面 Part Three 極化轉(zhuǎn)化超表面，主要通過對入射波反射相位的調(diào)控，一塊超前90度，一塊滯后90 度，實(shí)現(xiàn)180度的相位差，利用相位相消，

17、實(shí)現(xiàn)波束分裂，從而形成漫反射，有效 降低單站RCS。 用于縮減RCS的極化轉(zhuǎn)化超表面 Part Three 單元反射系數(shù)單元反射相位 用于縮減RCS的極化轉(zhuǎn)化超表面 Part Three 超表面模型 透明吸波體1 Part Three 氧化銦錫(ITO)上層100歐/sq， 下層25歐/sq；PET介電常數(shù)3.2； 周期P=13mm；td=5mm。 Sheokand H, Ghosh S, Singh G, et al. Transparent broadband metamaterial absorber based on resistive filmsJ. Journal of Appli

18、ed Physics, 2017, 122(10):105105. 透明吸波體1 Part Three 單元反射系數(shù)吸波率 22 1121 1SS 透明吸波體2 Part Three Zhang C, Cheng Q, Yang J, et al. Broadband metamaterial for optical transparency and microwave absorptionJ. Applied Physics Letters, 2017, 110(14):722. 單元周期P=15mm；厚度H=3.85mm. 透明吸波體3 Part Three Zhao J, Zhang C, Cheng Q, et al. An optically transparent metasurface for broadband microwave antirefl