电磁隐身超材料

1、雷达专题 课程汇报 雷达隐身超材料 汇报人：陈伟康汇报人：陈伟康 目录 CONTEN T 0102 0304 新型人工电磁 材料介绍 雷达隐身材料 发展和现状 结合自己的研 究工作 总结与展望 Part 1 新型人工 电磁材料 1.1 新型人工电磁材料(Metamaterial) Part One 新型人工电磁材料又称超材料，是一种由尺寸远小于波长的单元结 构周期或非周期排列而成的人工复合材料，具有自然界材料所不具备的 超常物理性质。 这些人工结构单元与传统材料的原子、分子功能类似，当它们按照 周期性或非周期性排列并且尺寸远小于波长时，宏观上可以看作均匀的 媒质或材料。 通过单元结构与电磁波的

2、相互作用，新型人工电磁材料能够实现自 然材料或化学合成材料无法具备的奇异物理特性。因此，它提供了一种 全新的材料设计方法，可以根据实际需求，按照人的意志来设计材料的 特殊性质。 1.1 新型人工电磁材料(Metamaterial) Part One 图1.1 以介电常数和磁导率划分的媒质参数空间 区域 I 中的材料介电常数和磁导率同时为 正，包含了绝大多数的介质材料； 区域 II 包含了电等离子体，如金属、铁 电材料、掺杂半导体等，这些材料在低于等 离子频率的频段存在负介电常数； 区域 IV 包含着磁等离子体，这些材料的 磁响应在远离微波频率时迅速衰减，使材料 呈现负的磁导率； 最引人注目的是

3、象限 III，介电常数和磁 导率同时为负，而自然界中不存在具有这种 性质的材料。 1.2 左手材料 Part One 2001 年，D. R. Smith教授通过金属线和 开口谐振环的组合结构，第一次真正意义上实 现了人工的左手材料，并通过实验验证了负折 射现象的存在。 图1.2 左手材料单元 1.2 左手材料 Part One 当电磁波在介电常数和磁导率同时为负值的媒质中传播，电场 E 、 磁场 H 以及波矢量 k 符合左手定则。 电磁波在左手材料中传播时具有了与坡 印廷矢量 S 方向相反的波矢量 k ，因而会 引起一系列不同寻常的电磁特性，如: 负折射、逆 Snell 效应、逆 Doppl

4、er 效应、 反向切伦科夫辐射等。 1.3 工作回顾1 Part One 新型人工电磁材料的一次重大革命是2005年D. R. Smith 教授发现渐变折射率的媒质能够实现电磁波束的偏折。 2006年，Smith教授采用渐变折射率的新型人工电磁 材料研制出了应用在微波波段的隐身斗篷，能够使电磁 波绕过目标传播，从而实现隐身。 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，美国普渡大学的两位学者提出了桌面黑洞的理论，如同宇宙黑洞改变物体 运动轨迹一样，桌面黑洞可以使得光线改变传播路径，向黑洞中心螺旋前进，直至传播到 中心被内核吸收。东南大学程强教授等人在此原理上构造了微波波段的“人工电磁黑洞”。 采用谐振或非谐振的新型人工电磁材料单元构成同轴环，共 60 个同轴环组成电磁黑洞，内 部同轴环为吸收体，外部同轴环构成外壳。该人工电磁黑洞能够吸收 99%的电磁波。图为 其实物图和吸收场分布图。 1.3 工作回顾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 新型人工电磁表面 (Metasurface) Part One 新型人工电磁表面的一个标志性进展是2011年提出通 过人工电磁表面谐振单元的设计引入相位梯度，利用不 同位置的相位梯度来实现电磁波的异常反射、折射现象。 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 新型人工电磁表面的优势 (Metasurface) Part One 新型人工电磁材料是通过控制材料的介电常数与磁导率来实现奇异的物理特 性，而根据广义的反射和折射定律，新型人工电磁表面能够通过谐振单元引入相 位突变，控制表面不同位置的折射或反射相位来实现空间电磁波的调控，因而设 计更加方便灵活。广义反射和折射定律的理论一经提出，迅速引起了世界范围内 的关注。 新型人工电磁表面凭借着独特的物理性质，在操纵电磁波的幅度、相位、极 化、波态、方向等方面展

8、示出自由灵活的优越性，为新型人工电磁材料的发展注 入了新的活力，在新型电磁隐身、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具 有广阔的发展前景。 Part 2 雷达隐身 2.1 雷达隐身技术介绍 Part Two 雷达隐身的本质是利用各种手段减少目标的回波信号，从而使敌方雷达无法 准确探测。目标的雷达散射截面(RCS)就是表征目标雷达回波强弱的物理量。 雷达散射截面的常用单位是 m2，由于其变化剧烈，动态范围很大，因而常 用分贝形式表示，单位是 dBsm，表示为 RCS缩减10dB意味着减少了90%的散射功率，返回的只剩1/10，极大地降低了目 标被探测到的可能性。 2 2 (m ) (dBsm)

9、10lg 1(m ) 心得体会 Part Two 2 1/4ttr max 3 min PG G R (4 ) P 整理雷达方程可得雷 达最大作用距离为 因此，降低目标自身的 RCS 是减小雷达探测距离 的有效手段。 2.2 传统电磁隐身方法介绍 Part Two 整形 雷达吸波材料无源阻抗加载有源阻抗加载 整形是通过修整 目标的形状轮廓、 边缘以及表面， 使其在雷达主要 威胁的方向上获 得后向散射的缩 减。 雷达吸波材料是抑 制目标镜面反射最 有效的方法，将电 磁能转化成热能耗 散掉，或者利用电 磁波的干涉效应， 减小散射或反射回 雷达的能量。 在目标表面进行开 槽、接谐振腔等设 计能够改变

10、表面电 流分布，缩减给定 方向的散射，这种 方法称作无源阻抗 加载。 在目标上加载有源 设备，产生一个与 回波信号反相的电 磁波来抵消目标本 身的散射场，则称 为有源阻抗加载。 Part Two 2.3 超材料电磁隐身技术 完美吸波材料 人工磁导体复合材料 地幔斗篷 梯度型人工电磁表面 随机表面 2.3.1 完美吸波材料(PMA) Part Two 其单元结构由电谐振器、损耗型介质和 金属微带线构成，其结构示意图和吸收率如 图所示。PMA通过改变单元结构来调控磁谐 振和电谐振，使得 从而与自由空 间的波阻抗相匹配，降低入射电磁波反射率, 再利用材料内部的欧姆损耗和介质损耗实现 对电磁波的强烈吸

11、收。 该吸波材料的厚度可以仅有 1/35 的工作 波长，在 GHz 窄频段内能实现接近 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 人工磁导体复合材料(AMC) Part Two 人工磁导体(AMC)即高阻抗表面，由 特定形状的单元结构周期性排列而成。 2007年，Paquay等人首次提出将AMC 应用于减小目标RCS中。AMC的反射相位 为0,而理想电

12、导体(PEC)的反射相位为 180，将这两种反射相位相差180的单元 组合成棋盘结构，反射波能够相互干涉， 使来波能量衰减,同时将后向散射峰转移到 其他方向。能够显著减小后向雷达散射截 面，实现目标的隐身。 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。该方法使用超薄共形的新型人 工电磁表面覆盖隐身目标，通过调整表面单 元的形状和尺寸，合成有效的平均表面阻抗, 来调节新型人工电磁表面上的表面电流。斗 篷上产生反相的散射场与隐身目标的散射场 产生相消干涉，因此减少了整个系统的可见 性。 对于不同的隐身目标，都需要特殊设计 外部的隐身罩，一定程度限制了其在隐身中 的实际应用。 Al A. Mantle cloak: Invisibility induced by a surfaceJ. Physical Review B, 2009, 80(24). 2.3.4 梯度型人工电磁表

14、面 Part Two 2011年，F. Capasso 提出了广义的反射 和折射定律，通过具有相位梯度的新型人工 电磁表面实现了电磁波异常的反射和折射现 象。即在新型人工电磁表面的谐振单元间引 入相位突变，构成相位梯度人工电磁表面， 可以实现对空间电磁波的灵活控制。 相位梯度人工电磁表面可将入射电磁波 耦合为表面波或使入射电磁波的反射方向发 生偏折，具有不同于传统材料表面的散射特 性，在隐身技术中具有广阔的应用前景。 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 随机编码超表面 Part Two 2008年，刘若鹏提出一种新型人工电磁 表面，利用表面电磁参数的非均匀分布来实 现表面折射率梯度的随机分布，该表面覆盖 在金属板上能够使反射波呈现漫反射的效应, 从而明显抑制后向散射。 2014年，东南大学崔铁军教授等人提出 了新型数字编码可编程人工电磁表面。继而 通过来整体控制加载过开关二极管 的可重构码元结构单元，来实现可编程的数 字化新型人工电磁表面。 (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 用于缩减RCS的极化转化超表面 Part Three 极化转化超表面，主要通过对入射波反射相位的调控，一块超前90度，一块滞后90 度，实现180度的相位差，利用相位相消，

17、实现波束分裂，从而形成漫反射，有效 降低单站RCS。 用于缩减RCS的极化转化超表面 Part Three 单元反射系数单元反射相位 用于缩减RCS的极化转化超表面 Part Three 超表面模型 透明吸波体1 Part Three 氧化铟锡(ITO)上层100欧/sq， 下层25欧/sq；PET介电常数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. 透明吸波体1 Part Three 单元反射系数吸波率 22 1121 1SS 透明吸波体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. 单元周期P=15mm；厚度H=3.85mm. 透明吸波体3 Part Three Zhao J, Zhang C, Cheng Q, et al. An optically transparent metasurface for broadband microwave antirefl