电磁隐身超材料.pptx

雷达专题,课程汇报,雷达隐身超材料,汇报人：陈伟康,目录,CONTENT,01,02,03,04,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 Doppler 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.,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 electromagnetic 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 laws 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。,心得体会,Part Two,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 Two,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 generalized 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 111111/111111, (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，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 Applied Physics, 2017, 122(10):105105.,透明吸波体1,Part Three,单元反射系数,吸波率,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 antireflectionJ. Applied Physics Letters, 2018, 112(7):073504.,透明吸波体3,Part Three,在一些频段上，单站RCS 可以达到10dB以上的缩减。,Part Four,反射相位,吸波率,周期P=8mm；厚度H=1.35mm； 蓝色为PET，ITO顶层底层都是8欧/sq。,建模仿真,Chen K, Cui L, Feng Y, et al. Coding metasurface for broadband microwave scattering reduction with optical transparency.J. Optics Expres