2011年4月 现代防御技术 第39卷第2期 MODERN DEFENCE TECHNOLOGY Vol.39 No.2 导弹技术 超电磁材料与未来隐身技术 许占显，孔立堵 (空军第一航空学院，河南信阳464000 摘要.阔述传统隐身技术的理念和超电磁材料的基本概念与基本特性，超电磁材料是种具有 天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材林其性质往往不主要决定于构成材 料的成分与本征性质，而决定于其中的人工结构。分析，说明了超电磁材料隐身技术的基本原理， 设计思路与理解方法。指出了目前超电磁材抖隐身技术的研究进屐，最后得出未来超电磁材料应 用于隐身技术县有良好潜在应用前景的结论， 关键词：超电磁；隐身技术；负折射电磁吸收：介质 dm:10.3969/小issn.1009-086x.2010.05.009 中图分类号：T25TM27:TB34:TJ7655 文献标志码：A文章编号.1009086X(2010050045-05 Metamaterial and Future Stealth Technology XU Zhan-xian,KONG Li-du (First Avation Institute of the Air Force.Henan Xinyang 464000.China Abstract:Tradition idea of stealth technology and basic concept and specialty of the metamaterial are expatiated herein and a metmaterial property is from its structure ather than inheriting them directly from the materials it is composed of.It is a kind of artificial structure or compound material has uno ertes found in naturaly formed substances.Metamaterial steath technology principle.de ouht and undrstuning ae wbed d plined.re mne stealth technolgy is presented at present;lastly,a better conclusion is reached that a better potential ap plication of metamterialxs in steath technology in the future. Key words:metamterial:stealth technique:negative refraction:electromagnetic absorption:medium Salisbury吸收屏.luamann多层吸收器以及基于磁 0引言 性材料的微波吸收体-。在平面吸收技术方面。 对电磁波隐身的效果取决于3个方面.即高明 多层金属簿膜、多层结构、铁氧体技术及其综合、阻 的空气动力学设计、优秀的吸波材料和周到而先进 抗加载技术等相继得到研究与不同程度的应用：应 的电子学装备，多年来人们遵循“隐身不是无形，而 用金属薄膜的电阻特性与多层复合结构，采用频率 是难于探测和跟踪”的隐身理念。传统的吸波材料 选择表面等技术设计出多工作频率或特定工作频段 是电阻性或磁阻性的无源电磁波吸收原理，电磁波 的微波吸收体。自1980年起，美国人产生了使用 在介质中转换为热能而达到波的吸收目的，如 “飞翼”的思想，即既无机身也无机尾，由于去掉了 ·收稿日期：2010-11-10：修 日期.0110 0 作者简介：许占显19%1-男山东鄂城人教博士从事无损检测与电磁隐身方面的研究 通信地址：464000河南信阳市航空路23号3号院31栋E-ma山：xxy@163.com 21994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2011 年 4 月 第 39 卷 第2 期 现代防御技术 MODERN DEFENCE TECHNOLOGY Apr. 2010 Vol. 39 No. 2 导弹技术 超电磁材料与未来隐身技术 * 许占显 ,孔立堵 (空军第一航空学院, 河南 信阳 464000) 摘要:阐述传统隐身技术的理念和超电磁材料的基本概念与基本特性, 超电磁材料是一种具有 天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料, 其性质往往不主要决定于构成材 料的成分与本征性质 ,而决定于其中的人工结构。分析 、说明了超电磁材料隐身技术的基本原理、 设计思路与理解方法 。指出了目前超电磁材料隐身技术的研究进展 ,最后得出未来超电磁材料应 用于隐身技术具有良好潜在应用前景的结论。 关键词 :超电磁;隐身技术;负折射;电磁吸收;介质 doi :10. 3969 / j. issn. 1009-086x. 2010. 05. 009 中图分类号:TM25;TM27 ;TB34 ;TJ765 .5 文献标志码:A 文章编号:1009 -086X(2010 )-05 -0045 -05 Metamaterial and Future Stealth Technology XU Zhan -xian , KONG Li -du (First Avation Institute of the Air Force , Henan Xinyang 464000 , China) Abstract :Tradition idea of stealth technology and basic concept and specialty of the metamaterial are expatiated herein , and a metmaterial property is from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. It is a kind of artificial structure or compound material has unordinary properties not found in naturally formed substances. Metamaterial stealth technology principle , design thought and understanding method are analyzed and explained. Research progress of metamterial stealth technology is presented at present ;lastly , a better conclusion is reached that a better potential ap - plication of metamterial exists in stealth technology in the future. Key words :metamterial ;stealth technique ;negative refraction ;electromagnetic absorption ;medium 0 引言 对电磁波隐身的效果取决于 3 个方面, 即高明 的空气动力学设计、优秀的吸波材料和周到而先进 的电子学装备,多年来人们遵循 “隐身不是无形 ,而 是难于探测和跟踪 ”的隐身理念 。传统的吸波材料 是电阻性或磁阻性的无源电磁波吸收原理 , 电磁波 在介质中转换为热能, 而达到波的吸收目的 , 如 Salisbury 吸收屏, Juamann 多层吸收器以及基于磁 性材料的微波吸收体 [1 -4 ] 。在平面吸收技术方面, 多层金属薄膜 、多层结构、铁氧体技术及其综合、阻 抗加载技术等相继得到研究与不同程度的应用;应 用金属薄膜的电阻特性与多层复合结构 ,采用频率 选择表面等技术设计出多工作频率或特定工作频段 的微波吸收体。自 1980 年起 , 美国人产生了使用 “飞翼”的思想, 即既无机身也无机尾 , 由于去掉了 * 收稿日期:2010 -11 -10 ;修回日期:2011 -01 -08 作者简介:许占显(1964- ), 男, 山东鄄城人。 教授, 博士, 从事无损检测与电磁隐身方面的研究。 通信地址:464000 河南信阳市航空路23 号 3 号院 31 栋 E-mail :xxuy@163. com
·46 现代防御技术 2011年第39卷第2期 反射雷达波的边，角，突出表面，并配合使用碳化纤 可E2E0, 维与塑料合成的复合材料.雷达散射截面CS可大 BB-0. 2) 大降低.1997年Tennant提出了一种新的方法来减 式中： 小电磁被从平面表面的反射，称为相位开关屏 2=w2=w24h5. 3】 (phas一witched creen技术P,将微波器件引入微 由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的 波吸收器的设计中，开创了可控吸收设计的思路，得 方向，而S一E×H,即E.H,S始终构成右手螺旋关 到了很有吸引力的研究结果，微波吸收器件的小型 系。因此在左手材料中，K(它的方向代表电磁波相 化技术，集成化技术和自适应技术是其发展特点。 速的方向)和S的方向相反。k=-为负数介 近年来，俄罗斯、美国也不同程度地研究和应用等离 质的折射率m一二_也为负数，所以这种介质也被 子体隐身技术。目前研究人员争相研究超电磁材 料，开发，利用其负折射等一些特性来进行隐身理论 称为“负折射率物质”，其概念最早由Veselago提 研究与设计.在西方电影《哈利波特》里，主角有一 出。物质介电常数飞和磁导率象限图如图1所 个可以用来隐身的斗篷.穿上后躲在里面.肉眼将无 示 法看到。预计在不久的将来，人们将可能应用超电 磁材料制作出这种隐身斗篷。并应用到飞机，军舰等 军事等领域 e<0>0 e>0.4>0 1超电磁材料metamaterials的基本 等离子体及金网 般材料 概念 “metamaterial"是本世纪物理学领域出现的 m 个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献 >0.4<0 拉丁语“mta-,可以表达“超出.、亚.、另类等 含义.对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格 的，权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各 图1物质介电常数和磁导率象限图 不相同。但一般文献中都认为超电磁材料科是一种 Fig.1 Qudrant diagram of material permittivity “具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复 合结构或复合材料”从定义中，可以看到该类材 料具有重要的3个特征：①通常是具有新奇人工结 超电磁左手材料中，电磁波的相速度和群速度 构的复合材料：公具有超常的物理性质（往往是自 方向相反，从而呈现出许多新硕的光学特性，如折别 然界的材料中所不具备的)：③其性质往往不主要 仍然满足Sl定律但具有负的折射，反多普勒效 决定于构成材料的成分与本征性质，而决定于其中 应，反常的切伦可夫效应，光压和完美透镜效应。由 的人工结构 关于metamaterial本身算不算“材 于自然界不存在这种性质特异的物质，故在其原始 料”，物理界还有分歧，但并不影响在工程界的应 理论提出后近30年内，该类材料的发展几乎处于信 用。目前人们己经发展出的这类“超电磁材料”包 滞状态，直到1990年代受到光子晶体研究的启发 括光子晶体，左手材料，以及超磁性材料等。 Pendry教授提出了分别实现负磁导率和负介电常数 的理论模型，重新开启了该领域的研究。200】 2超电磁metamaterials材料与负折 年，Si山等根据上述理论模型进行了有开创性意义 射率 的左手材料微被负折射实验。自此，超电磁材料的 在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介 研究工作成为科学界关注的焦点，2006-04-10. 电常数e和磁导率μ2个宏观参数来描述.正弦时 英国J B Pendry和美国D Schurig,.D R Smith研究人 变电磁场的波动方程(Helmhokz方程)为 员发明的一种材料可以控制光线以及物体周围其他 形式的电磁辐射线1，声称在18个月内就能研制出 1994-2014 China Academic Journal Ele erved
现代防御技术 2011 年第 39 卷第 2 期 反射雷达波的边 、角 、突出表面 ,并配合使用碳化纤 维与塑料合成的复合材料 ,雷达散射截面 RCS 可大 大降低 。1997 年 Tennant 提出了一种新的方法来减 小电磁波从平面表面的反射 , 称为相位开关屏 (phase -switched screen)技术 [2 ] ;将微波器件引入微 波吸收器的设计中,开创了可控吸收设计的思路,得 到了很有吸引力的研究结果 ,微波吸收器件的小型 化技术 、集成化技术和自适应技术是其发展特点 。 近年来 ,俄罗斯、美国也不同程度地研究和应用等离 子体隐身技术。目前研究人员争相研究超电磁材 料 ,开发、利用其负折射等一些特性来进行隐身理论 研究与设计 。在西方电影 《哈利波特》里, 主角有一 个可以用来隐身的斗篷,穿上后躲在里面 ,肉眼将无 法看到 。预计在不久的将来 ,人们将可能应用超电 磁材料制作出这种隐身斗篷,并应用到飞机、军舰等 军事等领域 。 1 超电磁材料 metamaterials 的基本 概念 “metamaterial ”是本世纪物理学领域出现的一 个新的学术词汇 ,近年来经常出现在各类科学文献 。 拉丁语 “meta - ”,可以表达 “超出 .、亚. 、另类 ”等 含义。对于 metamaterial 一词, 目前尚未有一个严格 的 、权威的定义, 各种不同的文献上给出的定义也各 不相同 。但一般文献中都认为超电磁材料是一种 “具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复 合结构或复合材料 ”。从定义中 , 可以看到该类材 料具有重要的3 个特征 :①通常是具有新奇人工结 构的复合材料 ;②具有超常的物理性质 (往往是自 然界的材料中所不具备的);③其性质往往不主要 决定于构成材料的成分与本征性质, 而决定于其中 的人工结构。 关于 metamaterial 本身算不算 “材 料 ”, 物理界还有分歧 , 但并不影响在工程界的应 用 。目前人们已经发展出的这类 “超电磁材料”包 括光子晶体 、左手材料 、以及超磁性材料等 。 2 超电磁 metamaterials 材料与负折 射率 在经典电动力学中 , 介质的电磁性质可以用介 电常数 ε和磁导率 μ2 个宏观参数来描述。正弦时 变电磁场的波动方程 (Helmholtz 方程)为 2 E +k 2 E =0 , (1 ) 2 B +k 2 B =0 , (2 ) 式中 : k 2 =ω 2 με=ω 2 μr μ0 εr ε0 . (3 ) 由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的 方向 ,而S =E ×H ,即E ,H , S始终构成右手螺旋关 系。因此在左手材料中 ,K (它的方向代表电磁波相 速的方向)和S的方向相反。k =- ω με为负数,介 质的折射率 n = c v = ck ω 也为负数 ,所以这种介质也被 称为 “负折射率物质 ”, 其概念最早由 Veselago 提 出 [3 ] 。物质介电常数 ε和 μ磁导率象限图如图 1 所 示。 图 1 物质介电常数和磁导率象限图 Fig. 1 Quadrant diagram of material permittivity and permeability 超电磁左手材料中 ,电磁波的相速度和群速度 方向相反 ,从而呈现出许多新颖的光学特性 ,如折射 仍然满足 Snell 定律, 但具有负的折射, 反多普勒效 应, 反常的切伦可夫效应 、光压和完美透镜效应。由 于自然界不存在这种性质特异的物质 ,故在其原始 理论提出后近 30 年内,该类材料的发展几乎处于停 滞状态,直到1990 年代,受到光子晶体研究的启发, Pendry 教授提出了分别实现负磁导率和负介电常数 的理论模型 , 重新开启了该领域的研究 [4 ] 。2001 年, Smith 等根据上述理论模型进行了有开创性意义 的左手材料微波负折射实验 。自此 , 超电磁材料的 研究工作成为科学界关注的焦点 。2006 - 04 - 10 , 英国 J B Pendry 和美国 D Schurig ,D R Smith 研究人 员发明的一种材料可以控制光线以及物体周围其他 形式的电磁辐射线 [5 ] ,声称在18 个月内就能研制出 46
许占显，孔立堵：超电磁材料与未米隐身技术 47 能够掩饰微波和其他形式的电磁射线的材料 点，不仅要求折射率有一定的比例关系，还要要求阴 2006-10-20.美国杜克大学研制出一种“二维隐 抗始终保持一样.因此。需要同时变换介电常数和磁 身”的试验装置被当年美国《科学》杂志评选为 导案 2006年度十大科学进展之一. 根据Maxwell方程，有 3 超电磁材料隐身技术 XE/ 4) 了XH=eE/ (5 令各国军事部门备感兴趣的是，超材料有可能 式中：e和：是位置的函数。进行合适的变换，变为 用于电磁波隐身。目前各国的隐身技术，主要是使 又，×E=-%4/ 6) 用各种吸波，诱波材料。实现对雷达的隐形：采用红 外遮挡与衰减装置、涂敷红外掩饰涂料等，以降低 又XH=e主/ 7) 外辐射程度，实现对红外探测器的隐身：在可见光院 式中：又，为变化后的哈密顿算符。 形上，只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的 变换后网格畸变与电磁波传播如图3StmA 方法，不发光物质之所以见.就是因为它反射和 mer,Boglar-loan Popa David Schurig and David R 散射的光线。超电磁材料制造的兵器可能将光线或 Smith应用COVSOL.Multiphysics软件，对理想导体球包 超电陵介质球壳（内径02m约133波长.外径04 雷达被滑过物体散射出去，使得从正面接收不到反 射的光线或微波，从而实现隐身。目前，研究与设计 约267波长，采用2G业横电磁波正入射，进行仿真 “隐身斗篷”成为世界关注的热点 分析，分布电场的结果如图4所示” 31“隐身斗篷”的基本原理 通过在物体表面句覆一层具有特殊设计的，且 有一定介电常数和磁导率分布的材料使入射光或 电磁波将被弯曲，并且绕过包覆层，从而出现隐身的 结果。其原理如图2所示 图3网格验变与电甜波传播 Fig.3 wave propagation 3.2“隐身斗篷”材料与设计的理解 图2电磁波滑过物体 超电磁材料是人工材料是将具有特定几何形 状的宏观基本单元周期性或非周期性地排列，或者 植入材料体内。而材料内部的基本单元结构，直接 然而，什么样的非均匀电磁材料才能实现“隐 决定了这种电磁材料的特性，人们只要人为地设 身斗篷呢？这种复杂的计算和设计的要求，已经不 材料内部的这些结构，就能控制它的属性。这种物 能用直接想像的方法构建。因此就会从电磁空间 质的重要特点是对电磁波的负折射率，因此也就意 另外一个角度看待电磁材料的意义，例如.对于光 味着该材料可以引导光线“透过”、“滑过”物体本 密材料，知道光走的速度会慢波长会短，其实，从另 身达到“隐身”效果。电磁波进入“隐身斗篷”后就 一个角度，也就是说，电磁波在这种媒质里面传播 在其中弯曲行走，绕过所包裹的物体，原样不变地射 时，看到的空间似乎是被压缩了一样。同样用电础 出.如同所包裹的物体不存在一样，通俗地说.“隐 材料扭曲电磁波传播时所看到的空间。当然，真正 身斗篷”可以引导电磁波“转向”避开仪器探测从 的空间扭曲，如果还希望从自由空间作为变换的起 而防止物体被电磁波发现。这就像小溪里的流水 21994-2014 China Academic Journal electronic Publishing House.all rights reserved.http://www.cnki.ne
能够掩饰微波和其他形式的电磁射线的材料 。 2006 - 10 - 20 , 美国杜克大学研制出一种 “二维隐 身 ”的试验装置, 被当年美国 《科学 》杂志评选为 2006 年度十大科学进展之一。 3 超电磁材料隐身技术 令各国军事部门备感兴趣的是 , 超材料有可能 用于电磁波隐身 。目前各国的隐身技术, 主要是使 用各种吸波 、透波材料 ,实现对雷达的隐形 ;采用红 外遮挡与衰减装置、涂敷红外掩饰涂料等 ,以降低红 外辐射强度 ,实现对红外探测器的隐身;在可见光隐 形上, 只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的 方法。不发光物质之所以可见 ,就是因为它反射和 散射的光线 。超电磁材料制造的兵器可能将光线或 雷达波滑过物体散射出去 , 使得从正面接收不到反 射的光线或微波 ,从而实现隐身 。目前,研究与设计 “隐身斗篷”成为世界关注的热点 。 3 .1 “隐身斗篷”的基本原理 通过在物体表面包覆一层具有特殊设计的 、具 有一定介电常数和磁导率分布的材料, 使入射光或 电磁波将被弯曲 ,并且绕过包覆层,从而出现隐身的 结果 [ 5 - 6 ] 。其原理如图2 所示 。 图2 电磁波滑过物体 Fig. 2 Electromagnetic wave sliding object 然而,什么样的非均匀电磁材料才能实现 “隐 身斗篷 ”呢 这种复杂的计算和设计的要求 ,已经不 能用直接想像的方法构建 。因此,就会从电磁空间 , 另外一个角度看待电磁材料的意义 。例如 , 对于光 密材料 ,知道光走的速度会慢, 波长会短, 其实 ,从另 一个角度, 也就是说 , 电磁波在这种媒质里面传播 时 ,看到的空间似乎是被压缩了一样 。同样,用电磁 材料扭曲电磁波传播时所看到的空间 。当然 , 真正 的空间扭曲 ,如果还希望从自由空间作为变换的起 点, 不仅要求折射率有一定的比例关系 ,还要要求阻 抗始终保持一样,因此, 需要同时变换介电常数和磁 导率 。 根据 Maxwell 方程 ,有 ×E =- μμ0 H / t , (4 ) ×H =εε0 E/ t , (5 ) 式中 :ε和 μ是位置的函数 。进行合适的变换, 变为 q ×E ∧ =- μ0 μ ∧ H ∧ / t , (6 ) q ×H ∧ =ε0 ε ∧ E ∧ / t , (7 ) 式中 : q为变化后的哈密顿算符。 变换后网格畸变与电磁波传播如图 3 , Steven A Cummer, Bogdan -Ioan Popa , David Schurig , and David R Smith 应用 COMSOL Multiphysics 软件,对理想导体球包 裹超电磁介质球壳(内径0 .2 m 约1 .33 波长,外径0.4 m 约2 .67 波长),采用2 GHz 横电磁波 TE 入射,进行仿真 分析,分布电场的结果如图4 所示 [7] 。 图3 网格畸变与电磁波传播 Fig. 3 Mesh distortion and electromagnetic wave propagation 3. 2 “隐身斗篷 ”材料与设计的理解 超电磁材料是人工材料, 是将具有特定几何形 状的宏观基本单元周期性或非周期性地排列, 或者 植入材料体内 。而材料内部的基本单元结构, 直接 决定了这种电磁材料的特性, 人们只要人为地设计 材料内部的这些结构, 就能控制它的属性。这种物 质的重要特点是对电磁波的负折射率 ,因此也就意 味着该材料可以引导光线 “透过 ”、“滑过 ”物体本 身, 达到“隐身 ”效果 。电磁波进入 “隐身斗篷 ”后就 在其中弯曲行走,绕过所包裹的物体,原样不变地射 出, 如同所包裹的物体不存在一样 。通俗地说 , “隐 身斗篷”可以引导电磁波 “转向 ”,避开仪器探测, 从 而防止物体被电磁波发现 。这就像小溪里的流水, 许占显, 孔立堵:超电磁材料与未来隐身技术 47
现代防御技术 2011年第39卷第2期 PMG周期性边界 坐标变换，要求材料具有复杂的特性。特别指出的 是，若要实现变换，目前的技术方法需要设计开口语 振环，并按一定的角度和辐射方向放置。并使用印 刷电路板工艺设计制作“隐身斗篷” 理想 e 4超电磁材料隐身技术的进展 近年来，发表的众多文献说明了超电磁材料隐 理想导快 身技术的研究进展5-。2006-06-23出版的《科 PMC周性边界 学》(Science)杂志，来自苏格兰圣安得鲁大学的理 a仿真结构布置 论物理学家里奥哈茨，与伦敦帝国学院的」BPm 山教授，分别在这一期顶尖学术刊物上发表论文 阐述他们对“隐身斗篷”理论基础的计算原理。英 国的这2位科学家，各自假设了电磁波如流水般在 隐身材料表面流过，完全不受到隐于其中的物体的 干扰，由此推导出“隐身斗篷”材料所需具备的光学 参数，“隐身斗篷”的雏形己悄然出现。4个月后的 《科学涤志美国杜克大学的史密斯教授小组再次 容度/ 发表论文，向世人宣告微波隐身材料的诞生。他们 运用JB Pendry教授的理论，巧妙设计了符合计算 b隐身电场 结果的隐身材料。在他们的实验中，采用铜金属上 图4理想导体球包裹超电磁介质球壳模拟 玻璃纤维，创造了一卷甜甜圈似的圆环材料。探测 Fig.4 Imitation of the ideal conductor ball wrappe 器所得到的信号表示微波经讨圆环.恍若无物地今 聚到圆环的另一侧，如若清泉石上流汇聚于石岩另 经过一块石头时，溪流会绕过石头后再合拢维续向 一侧一般，不留痕迹。2007-01-05.德国科学家在 前，就像没有遇到过石头一样。设计“隐身斗篷”的 《科学涤志上发表一种银基网状材料研究成果，该 理解，可把物体想像成一个光子，在自由空间里面 项研究成果代表着当时超电磁材料的研究水平，迈 它会沿着从源出发直线奔跑。可是因为某种原因， 出了制造“隐身斗篷"的第一步。2009年1月的《 空间本身发生了弯曲.尽管光子仍然努力的沿者原 学》杂志，史密斯授小组的刘若鹏再次发表文章 来既定的方向前行，它已经开始转弯了，就好像巨大 将“隐身斗篷”所适宜的波段大幅度增大，但依然局 的质量可以扭曲空间一样。人们以为是直的.其实它 限于对微波段光路的改变.2009年4月，加州大学 己经弯了.那么，对于设计者，需要的就是要让光子 伯克利分校的张翔教授以及其团队，首次实现了隐 在不知不觉中，扭曲它们本来的坐标系.在空间中挖 身材料可以在接近可见光的近红外波段工作制作 出一个洞让光子沿着他们眼里的“直角坐标系”奔 了一个反射型“隐身斗篷”，他们在硅材料上钻很多 跑.却无论如何也不可能讲入那个挖掉的区域。这 纳米级长度的小孔，所制得的“隐身斗篷”覆盖于物 样，就把原来的自由空间扭曲成一个具有一块“世 体上，可使其背后物体不对光波形成任何的散射 外桃源"的新的空间。然而，根据前面描述的机理， 时隔半月，康索尔大学的里布森教授小组也发出了 这样的空间扭曲可以通过周围的渐变电磁材料实 自己的论文，宣布他们采用如出一辙的办法，所制造 现，因此通过坐标变换，重写麦克斯韦方程组，把坐 的隐身材料的波段更加接近于可见光。这些研究成 标变幻的那一项和介电常数、磁导率组合在一起组 果不仅仅局限在“隐身斗篷”上，已经编制出准确设 成新的电磁参数，这样就构成了“隐身斗篷的理论 计新型人工超电磁材料的软件。应用这些超电碰材 设计的方案。对于完全隐身的精确说明来自前面的 料还可以设计三维的“隐身斗篷”、隐形地毯、新型 1994-2014 China Academi House All riobts
现代防御技术 2011 年第 39 卷第 2 期 图 4 理想导体球包裹超电磁介质球壳模拟 Fig. 4 Imitation of the ideal conductor ball wrapped up metamaterial ball hull 经过一块石头时 ,溪流会绕过石头后再合拢,继续向 前 ,就像没有遇到过石头一样 。设计 “隐身斗篷 ”的 理解, 可把物体想像成一个光子, 在自由空间里面 它会沿着从源出发直线奔跑。可是, 因为某种原因 , 空间本身发生了弯曲, 尽管光子仍然努力的沿着原 来既定的方向前行,它已经开始转弯了,就好像巨大 的质量可以扭曲空间一样 ,人们以为是直的,其实它 已经弯了。那么 ,对于设计者, 需要的就是要让光子 在不知不觉中,扭曲它们本来的坐标系,在空间中挖 出一个洞,让光子沿着他们眼里的 “直角坐标系 ”奔 跑 ,却无论如何也不可能进入那个挖掉的区域 。这 样 ,就把原来的自由空间扭曲成一个具有一块 “世 外桃源 ”的新的空间 。然而 ,根据前面描述的机理 , 这样的空间扭曲可以通过周围的渐变电磁材料实 现 ,因此,通过坐标变换,重写麦克斯韦方程组 ,把坐 标变幻的那一项和介电常数、磁导率组合在一起,组 成新的电磁参数 ,这样就构成了 “隐身斗篷”的理论 设计的方案 。对于完全隐身的精确说明来自前面的 坐标变换 ,要求材料具有复杂的特性 。特别指出的 是, 若要实现变换, 目前的技术方法需要设计开口谐 振环 , 并按一定的角度和辐射方向放置, 并使用印 刷电路板工艺设计制作 “隐身斗篷”。 4 超电磁材料隐身技术的进展 近年来 ,发表的众多文献说明了超电磁材料隐 身技术的研究进展 [5 -13 ] 。2006 - 06 -23 出版的《科 学》(Science )杂志, 来自苏格兰圣安得鲁大学的理 论物理学家里奥哈茨 , 与伦敦帝国学院的 J B Pen - dry 教授 ,分别在这一期顶尖学术刊物上发表论文, 阐述他们对 “隐身斗篷”理论基础的计算原理。英 国的这2 位科学家 ,各自假设了电磁波如流水般在 隐身材料表面流过 ,完全不受到隐于其中的物体的 干扰 ,由此推导出“隐身斗篷 ”材料所需具备的光学 参数 , “隐身斗篷 ”的雏形已悄然出现。4 个月后的 《科学》杂志,美国杜克大学的史密斯教授小组再次 发表论文 ,向世人宣告微波隐身材料的诞生。他们 运用 J B Pendry 教授的理论 ,巧妙设计了符合计算 结果的隐身材料。在他们的实验中 , 采用铜金属与 玻璃纤维 ,创造了一卷甜甜圈似的圆环材料。探测 器所得到的信号表示,微波经过圆环,恍若无物地会 聚到圆环的另一侧 ,如若清泉石上流,汇聚于石岩另 一侧一般 ,不留痕迹 。2007 -01 - 05 , 德国科学家在 《科学》杂志上发表一种银基网状材料研究成果, 该 项研究成果代表着当时超电磁材料的研究水平, 迈 出了制造 “隐身斗篷 ”的第一步。2009 年1 月的《科 学》杂志, 史密斯教授小组的刘若鹏再次发表文章, 将“隐身斗篷”所适宜的波段大幅度增大 , 但依然局 限于对微波段光路的改变。 2009 年 4 月 , 加州大学 伯克利分校的张翔教授以及其团队 , 首次实现了隐 身材料可以在接近可见光的近红外波段工作, 制作 了一个反射型 “隐身斗篷 ”, 他们在硅材料上钻很多 纳米级长度的小孔 ,所制得的 “隐身斗篷 ”覆盖于物 体上 ,可使其背后物体不对光波形成任何的散射。 时隔半月 ,康奈尔大学的里布森教授小组也发出了 自己的论文,宣布他们采用如出一辙的办法 ,所制造 的隐身材料的波段更加接近于可见光。这些研究成 果不仅仅局限在“隐身斗篷 ”上 ,已经编制出准确设 计新型人工超电磁材料的软件。应用这些超电磁材 料, 还可以设计三维的“隐身斗篷 ”、隐形地毯、新型 48
许占品，孔立堵超电磁材料与未来隐身技术 ·49 天线等。 viet Physics USPEKHI.1968.10(4).509-514. 14 PENDRY J B.HOLDEN A J ROBBINS D al Mag 5超电磁材料隐身技术的的未来 如果完美的“隐身斗篷”终于有一天变成了现 nomena I J1.IEEE Transactions on Microwave Theory and techuiques19g99.4711).2075-2084 实，“隐身斗篷”发明的利弊如同炸药、枪支等发 明，其本身并没有是非，对错只在于使用它的人类 [5 PENDRY J B SCHURIG D SMITH D R.Comtrolling E lectromagretie Field[Science 206312(5781) 同时，当“隐身斗篷”飞速发展时，反隐身技术也会 1780-1782 随之迅猛前进。且让人们心存希望。期盼“隐身斗 [6]LEONHARDT U.Optical Conforma Mapping[J].Sci- 篷”研究的更多进展，也期盼所有的忧虑并不成真 cne.2006312(5781.1777-1780. 不过，目前这种“隐身斗篷”还只能在“微波领域”隐 [7 身，它还不能避开可见光，也就是说现在它还不能 al.Full-Wave Simulations o Electromagnetic Cloaking 在人们的面前实现“隐身”的特效要设计出可以避 Structures [J].Physical review E 2006.74 (3 )036621/ 开可见光的大衣还需要相当长的时间。从超材料兴 1=026621/5 起到隐身材料变为现实不讨短短10年时间.虽然 I8】SCHURIG D.Me 目前已问世的“隐身斗篷"尚不能覆盖住一根手指。 Microwave Frequencie J.Science 2006.314 (58011:977-980. 也依然无法实现对可见光的隐身。但是，未来在军 事上，飞机、坦克等目标都可以通过隐身技术在敌人 at Opical Wavelengths [J] Scimee 2007.315 (5 的眼前彻底消失：在民用上，类似的原理可用于屏黻 辐射、无线通信、医学成像，无损检测汽车防撞雷达 47-49. [10]ZHANG JJ HUANGFU J T.LUO Y.et al.Cloak for Muhilavered and Gradually Changing Media[]l.Physi cal Review.B2008.77(33511611-3511615. 参考文献 [11 ZHANG B.Extmordinary Surface Voltage Effect in the 【1】白木周洁.隐形技术：一场军事技术角逐小.机电 Invisibility Cloak with an Active Device Inside[]. 新产品导报2002.(6h78-81. Physical Review Letters 2008.100 (6 )63904/6 [2 TENNANT A.CHAMBERS B.A Single-Layer Tuneable 3904/4. Microwave Absorber Using an Active FSS[].EEE Mi erowave and Wireless Components Letters.2004.14 2009.323(5912):366-369. (1246-47. I13]VALENTINE J.An Optical Cloak Made of Dielectric 31 VESELAGO VG.The Electrodynamics of Subetancs 【J.Nature Maerials2009.8(7):568-571. With Simultaneously Negative Values of t andJ].So 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
天线等 。 5 超电磁材料隐身技术的的未来 如果完美的 “隐身斗篷 ”终于有一天变成了现 实 , “隐身斗篷 ”发明的利弊, 如同炸药、枪支等发 明 ,其本身并没有是非 ,对错只在于使用它的人类 。 同时, 当“隐身斗篷 ”飞速发展时, 反隐身技术也会 随之迅猛前进。且让人们心存希望, 期盼 “隐身斗 篷 ”研究的更多进展 ,也期盼所有的忧虑并不成真 。 不过, 目前这种“隐身斗篷 ”还只能在 “微波领域 ”隐 身 ,它还不能避开可见光 ,也就是说, 现在它还不能 在人们的面前实现“隐身 ”的特效, 要设计出可以避 开可见光的大衣还需要相当长的时间 。从超材料兴 起到隐身材料变为现实, 不过短短 10 年时间 , 虽然 目前已问世的“隐身斗篷 ”尚不能覆盖住一根手指 , 也依然无法实现对可见光的隐身 。但是, 未来在军 事上, 飞机、坦克等目标都可以通过隐身技术在敌人 的眼前彻底消失 ;在民用上 ,类似的原理可用于屏蔽 辐射、无线通信、医学成像 、无损检测 、汽车防撞雷达 等 。 参考文献: [ 1 ] 白木, 周洁. 隐形技术:一场军事技术角逐 [J] . 机电 新产品导报, 2002 , (6 ):78 -81. [ 2 ] TENNANT A, CHAMBERS B. A Single-Layer Tuneable Microwave Absorber Using an Active FSS[ J] . IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2004 , 14 (1 ):46 -47. [ 3 ] VESELAGO V G. The Electrodynamics of Substances With Simultaneously Negative Values of εand μ[ J] . Soviet Physics USPEKHI, 1968 , 10 (4 ):509 -514. [ 4 ] PENDRY J B , HOLDEN A J, ROBBINS D J, et al. Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena [ J] . IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999 , 47(11):2075 -2084. [ 5 ] PENDRY J B, SCHURIG D, SMITH D R. Controlling Electromagnetic Fields[ J] . Science , 2006, 312 (5781 ): 1780 -1782. [ 6 ] LEONHARDT U. Optical Conformal Mapping [J] . Science , 2006, 312 (5781 ):1777 -1780. [ 7 ] Steven A Cummer, Bogdan-Ioan Popa , David Schurig , et al. Full -Wave Simulations of Electromagnetic Cloaking Structures[J] . Physical review E, 2006 , 74 (3 ):036621 / 1 - 036621 /5. [ 8 ] SCHURIG D. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies [ J ] . Science , 2006 , 314 (5801 ):977 -980. [ 9 ] SOUKOULIS C M. Physics:Negative Refractive Index at Optical Wavelengths [ J] . Science , 2007 , 315 (5 ): 47 -49. [ 10 ] ZHANG J J, HUANGFU J T , LUO Y, et al. Cloak for Multilayered and Gradually Changing Media [J] . Physical Review. B, 2008 , 77 (3 ):35116 /1 -35116 /5 . [ 11 ] ZHANG B. Extraordinary Surface Voltage Effect in the Invisibility Cloak with an Active Device Inside [ J ] . Physical Review Letters, 2008 , 100 (6 ):63904 /6 - 63904 /4. [ 12 ] LIU R. Broadband Ground-Plane Cloak [J] . Science , 2009 , 323(5912 ):366 -369. [ 13 ] VALENTINE J. An Optical Cloak Made of Dielectrics [ J] . Nature Materials, 2009 , 8 (7):568 -571. 许占显, 孔立堵:超电磁材料与未来隐身技术 49