超材料在隐身领域的研究及应用进展

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1、超材料在隐身领域的研究及应用进展*许卫错，卢少微，马克明，熊需海(沈阳航空航天大学航空航天工程学院沈阳110136)摘要：鉴于超材料所表现出的自然界屮不存在的新颖特性，其在航空航天隐身领域的重要作用已经得到了体现。介绍了基于超材料的隐身新理念，并对超材料在隐身领域中的应用进行了概述。最后，展望了新型超材料在隐身领域的应用前景。关键词：超材料;隐身；坐标变换；隐身斗篷中图分类号：04362；0439文献标识码:ADOI:103969/j-issn-1001-9731-2014-04003近年来，随着先进的侦查系统与精确打击系统的出现使得近空间防护领域上出现了“发现即被消灭”的战略

2、认识采用高隐身材料使对方探测、制导、侦查系统失去功效，尽可能地隐蔽自己，己经成为近空间飞行器防护、生存和发展的重要方向之一。然而，由于探测技术的不断进步，传统的隐身技术己经不能满足耍求这迫切地需要对隐身技术进行变革。各种新型材料的出现，为人们提供了改善装备隐身性能的新思路。近年来出现的超材料，成为新型隐身材料研究的热点之一。超材料(Metamaterial)是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，其定义为"Acompositeorstructuredmaterialthatexhibitspropertiesnotfoundinnaturallyoccurringmate

3、rialsorcompounds"，即"一类具冇天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质”。该术语的岀现与左手材料(left-handedmaterialLHM)息息相关。事实上，狭义的超材料指的正是左手材料：当材料的介电常数和磁导率同时为负值时材料的折射率也将变为负值。此时山于Maxwell旋度方程有所改变，从而引起物理性质上的根本变化，这种变化使得材料具有许多新奇的物理特性，这使得左手材料在很多领域具有极大的应用潜力，迅速得到了各国学术领域的广泛关注。另一方面，随着左手材料的发展，人们发现单纯的左手材料并不能满足应用上的需求，还需要用其它类型的特殊电磁材料与

4、左手材料相配合来实现特殊的应用目的，如单负的介电常数或单负的磁导率材料等。在这种情况下人们提岀了超材料的概念，它不仅包括介电常数和磁导率同时为负的左手材料，也包括介电常数或者磁导率单独小于1以及单独小于0的特殊材料。由于其具备的独特的电磁特性⑵，有关超材料的制备和应用研究工作成为当前的热点。近儿年來，超材料在隐身领域的研究也受到了广泛的关注兀〕。由于超材料可实现与以前常规材料截然不同的折射，因此人们对隐身的研究注意力也从单纯的吸波研究扩展到了控制电磁波的绕射从而达到隐身的目的。下面将从儿个方面介绍当前皋于超材料的隐身研究进展。2电磁波的绕射隐身众所周知，电磁波的传播性质和传输介

5、质的折射率密切相关。例如，同一频率的电磁波在不同介质中会有不同的现象。那么，如果能按照人们的心意调节介质的电磁参数如介电常数或磁导率，则可以实现对电磁波传播的控制达到人们的各种目的。然而，由于之前不存在负的折射率材料，因此无法使得介质的参数连续变化达到完美控制的效果。超材料的出现则弥补了这一空白。它将隐身技术带入了一个新时代:它既不是让电磁波反射也不是让电磁波吸收，而是通过在物体表面覆盖特殊的超材料弓导着被物体阻挡的电磁波绕着走，从而实现完美隐身。基于这种思想，Leonhardt6］和Pendry7］在2006年几乎同时提出了转换介质理论，用于自由控制波的传播。其中'Leonh

6、ardt提出的理论也称为“光学保角变换”，这样设计出来的转换介质将材料的各向异性特性进行了简化，从而只剩下非均匀性的性质。Pendiy的理论则是基于Maxwell方程在伽利略变换下的坐标协变性得到的，这一理论迅速得到了学术界的广泛关注，大量的基于超材料的隐身研究止是以此为基础的。这一理论又称为“光学变换理论”或“坐标变换理论”。2*1坐标变换理论在坐标变换下Maxwell方程组的形式保持不变(8刃，这正是变换光学理论的基础。根据Pendry的理论，从一个平坦的空间x变换到一个扭曲的空间X，可以等价为原空间材料参数的变化。变换空间的介电常数£'和磁导率『可由式（1）给出异性，在

7、工程中很难实现，因此Schurig等设计出的隐身斗篷实际上对材料的参数进行了简化。AeA1det(A)A

8、JAydet(A)(1)其中讥是雅克比变换矩阵，其分量为"二X；/这里心和X」分别表示新坐标系统的X'，y'0和原坐标系统的x，y，z。雅克比矩阵为原坐标空间和新坐标空间建立起一种映射关系。基于此Pendry通过坐标变换先将场分布扭曲，如图1所示，并用新的坐标系表示，再将这种变换关系映射到介质的电磁参数辭2基于变换光学的绕射II身中，最终可得隐身斗篷的电磁参数分布。图1场空间的扭曲Fig