隐身材料的研究进展及存在问题

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 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4

TE

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