電磁隱身超材料ppt課件

1、雷達(dá)專題,課程匯報(bào),雷達(dá)隱身超材料,匯報(bào)人：陳偉康,目錄,CONTENT,01,02,03,04,新型人工電磁材料介紹,雷達(dá)隱身材料發(fā)展和現(xiàn)狀,結(jié)合自己的研究工作,總結(jié)與展望,Part 1,新型人工 電磁材料,1.1 新型人工電磁材料(Metamaterial,Part One,新型人工電磁材料又稱超材料，是一種由尺寸遠(yuǎn)小于波長的單元結(jié)構(gòu)周期或非周期排列而成的人工復(fù)合材料，具有自然界材料所不具備的超常物理性質(zhì)。 這些人工結(jié)構(gòu)單元與傳統(tǒng)材料的原子、分子功能類似，當(dāng)它們按照周期性或非周期性排列并且尺寸遠(yuǎn)小于波長時(shí)，宏觀上可以看作均勻的媒質(zhì)或材料。 通過單元結(jié)構(gòu)與電磁波的相互作用，新型人工電磁材料能

2、夠?qū)崿F(xiàn)自然材料或化學(xué)合成材料無法具備的奇異物理特性。因此，它提供了一種全新的材料設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)實(shí)際需求，按照人的意志來設(shè)計(jì)材料的特殊性質(zhì),1.1 新型人工電磁材料(Metamaterial,Part One,圖1.1 以介電常數(shù)和磁導(dǎo)率劃分的媒質(zhì)參數(shù)空間,區(qū)域 I 中的材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為正，包含了絕大多數(shù)的介質(zhì)材料； 區(qū)域 II 包含了電等離子體，如金屬、鐵電材料、摻雜半導(dǎo)體等，這些材料在低于等離子頻率的頻段存在負(fù)介電常數(shù)； 區(qū)域 IV 包含著磁等離子體，這些材料的磁響應(yīng)在遠(yuǎn)離微波頻率時(shí)迅速衰減，使材料呈現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率； 最引人注目的是象限 III，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，而自然界

3、中不存在具有這種性質(zhì)的材料,1.2 左手材料,Part One,2001 年，D. R. Smith教授通過金屬線和開口諧振環(huán)的組合結(jié)構(gòu)，第一次真正意義上實(shí)現(xiàn)了人工的左手材料，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)折射現(xiàn)象的存在,圖1.2 左手材料單元,1.2 左手材料,Part One,當(dāng)電磁波在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的媒質(zhì)中傳播，電場(chǎng) E 、磁場(chǎng) H 以及波矢量 k 符合左手定則,電磁波在左手材料中傳播時(shí)具有了與坡印廷矢量 S 方向相反的波矢量 k ，因而會(huì)引起一系列不同尋常的電磁特性，如: 負(fù)折射、逆 Snell 效應(yīng)、逆 Doppler 效應(yīng)、反向切倫科夫輻射等,1.3 工作回顧1,Part One,

4、新型人工電磁材料的一次重大革命是2005年D. R. Smith教授發(fā)現(xiàn)漸變折射率的媒質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波束的偏折,2006年，Smith教授采用漸變折射率的新型人工電磁材料研制出了應(yīng)用在微波波段的隱身斗篷，能夠使電磁波繞過目標(biāo)傳播，從而實(shí)現(xiàn)隱身,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，美國普渡大學(xué)的兩位學(xué)者提出了桌面黑洞的理論，如同宇宙黑洞改變物體運(yùn)動(dòng)

5、軌跡一樣，桌面黑洞可以使得光線改變傳播路徑，向黑洞中心螺旋前進(jìn)，直至傳播到中心被內(nèi)核吸收。東南大學(xué)程強(qiáng)教授等人在此原理上構(gòu)造了微波波段的“人工電磁黑洞”。采用諧振或非諧振的新型人工電磁材料單元構(gòu)成同軸環(huán)，共 60 個(gè)同軸環(huán)組成電磁黑洞，內(nèi)部同軸環(huán)為吸收體，外部同軸環(huán)構(gòu)成外殼。該人工電磁黑洞能夠吸收 99%的電磁波。圖為其實(shí)物圖和吸收?qǐng)龇植紙D,1.3 工作回顧2,Part One,Cheng Q, Cui T J, Jiang W X, et al. An omnidirectional electromagnetic absorber made of metamaterials J. New

6、Journal of Physics, 2010, 12(11): 1749-1751,1.4 新型人工電磁表面 (Metasurface,Part One,新型人工電磁表面的一個(gè)標(biāo)志性進(jìn)展是2011年提出通過人工電磁表面諧振單元的設(shè)計(jì)引入相位梯度，利用不同位置的相位梯度來實(shí)現(xiàn)電磁波的異常反射、折射現(xiàn)象,Yu N, Genevet P, Kats M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: generalized laws of reflection and refractionJ. Science, 2011, 334(

7、6054):333-337,1.4 新型人工電磁表面的優(yōu)勢(shì) (Metasurface,Part One,新型人工電磁材料是通過控制材料的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率來實(shí)現(xiàn)奇異的物理特性，而根據(jù)廣義的反射和折射定律，新型人工電磁表面能夠通過諧振單元引入相位突變，控制表面不同位置的折射或反射相位來實(shí)現(xiàn)空間電磁波的調(diào)控，因而設(shè)計(jì)更加方便靈活。廣義反射和折射定律的理論一經(jīng)提出，迅速引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注。 新型人工電磁表面憑借著獨(dú)特的物理性質(zhì)，在操縱電磁波的幅度、相位、極化、波態(tài)、方向等方面展示出自由靈活的優(yōu)越性，為新型人工電磁材料的發(fā)展注入了新的活力，在新型電磁隱身、微波和太赫茲器件、光電子器件等諸多領(lǐng)域具有廣

8、闊的發(fā)展前景,Part 2,雷達(dá)隱身,2.1 雷達(dá)隱身技術(shù)介紹,Part Two,雷達(dá)隱身的本質(zhì)是利用各種手段減少目標(biāo)的回波信號(hào)，從而使敵方雷達(dá)無法準(zhǔn)確探測(cè)。目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)就是表征目標(biāo)雷達(dá)回波強(qiáng)弱的物理量,雷達(dá)散射截面的常用單位是 m2，由于其變化劇烈，動(dòng)態(tài)范圍很大，因而常用分貝形式表示，單位是 dBsm，表示為,RCS縮減10dB意味著減少了90%的散射功率，返回的只剩1/10，極大地降低了目標(biāo)被探測(cè)到的可能性,心得體會(huì),Part Two,整理雷達(dá)方程可得雷達(dá)最大作用距離為,因此，降低目標(biāo)自身的RCS 是減小雷達(dá)探測(cè)距離的有效手段,2.2 傳統(tǒng)電磁隱身方法介紹,Part Two

9、,整形是通過修整目標(biāo)的形狀輪廓、邊緣以及表面，使其在雷達(dá)主要威脅的方向上獲得后向散射的縮減,雷達(dá)吸波材料是抑制目標(biāo)鏡面反射最有效的方法，將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，或者利用電磁波的干涉效應(yīng)，減小散射或反射回雷達(dá)的能量,在目標(biāo)表面進(jìn)行開槽、接諧振腔等設(shè)計(jì)能夠改變表面電流分布，縮減給定方向的散射，這種方法稱作無源阻抗加載,在目標(biāo)上加載有源設(shè)備，產(chǎn)生一個(gè)與回波信號(hào)反相的電磁波來抵消目標(biāo)本身的散射場(chǎng)，則稱為有源阻抗加載,Part Two,2.3 超材料電磁隱身技術(shù),完美吸波材料,人工磁導(dǎo)體復(fù)合材料,地幔斗篷,梯度型人工電磁表面,隨機(jī)表面,2.3.1 完美吸波材料(PMA,Part Two,其單元結(jié)構(gòu)由電

10、諧振器、損耗型介質(zhì)和金屬微帶線構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖和吸收率如圖所示。PMA通過改變單元結(jié)構(gòu)來調(diào)控磁諧振和電諧振，使得 從而與自由空間的波阻抗相匹配，降低入射電磁波反射率,再利用材料內(nèi)部的歐姆損耗和介質(zhì)損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的強(qiáng)烈吸收。 該吸波材料的厚度可以僅有 1/35 的工作波長，在 GHz 窄頻段內(nèi)能實(shí)現(xiàn)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 人工磁導(dǎo)體復(fù)合材料(AM

11、C,Part Two,人工磁導(dǎo)體(AMC)即高阻抗表面，由特定形狀的單元結(jié)構(gòu)周期性排列而成。 2007年，Paquay等人首次提出將AMC應(yīng)用于減小目標(biāo)RCS中。AMC的反射相位為0,而理想電導(dǎo)體(PEC)的反射相位為180，將這兩種反射相位相差180的單元組合成棋盤結(jié)構(gòu)，反射波能夠相互干涉，使來波能量衰減,同時(shí)將后向散射峰轉(zhuǎn)移到其他方向。能夠顯著減小后向雷達(dá)散射截面，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的隱身,Paquay M, Iriarte J C, Ederra I, et al. Thin AMC Structure for Radar Cross-Section ReductionJ. IEEE Transa

12、ctions 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。該方法使用超薄共形的新型人工電磁表面覆蓋隱身目標(biāo)，通過調(diào)整表面單元的形狀和尺寸，合成有效的平均表面阻抗,來調(diào)節(jié)新型人工電磁表面上的表面電流。斗篷上產(chǎn)生反相的散射場(chǎng)與隱身目標(biāo)的散射場(chǎng)產(chǎn)生相消干涉，因此減少了整個(gè)系統(tǒng)的可見性。 對(duì)于不同的隱身目標(biāo)，都需要特殊設(shè)計(jì)外部的隱身罩，一定程度限制了其在隱身中的實(shí)際應(yīng)用,Al A. Mantle cloak: Invi

13、sibility induced by a surfaceJ. Physical Review B, 2009, 80(24,2.3.4 梯度型人工電磁表面,Part Two,2011年，F(xiàn). Capasso 提出了廣義的反射和折射定律，通過具有相位梯度的新型人工電磁表面實(shí)現(xiàn)了電磁波異常的反射和折射現(xiàn)象。即在新型人工電磁表面的諧振單元間引入相位突變，構(gòu)成相位梯度人工電磁表面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間電磁波的靈活控制。 相位梯度人工電磁表面可將入射電磁波耦合為表面波或使入射電磁波的反射方向發(fā)生偏折，具有不同于傳統(tǒng)材料表面的散射特性，在隱身技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景,Zhang J, Lei Mei Z, R

14、u Zhang W, et al. An ultrathin directional carpet cloak based on generalized Snells lawJ. Applied Physics Letters, 2013, 103(15):1780,2.3.5 隨機(jī)編碼超表面,Part Two,2008年，劉若鵬提出一種新型人工電磁表面，利用表面電磁參數(shù)的非均勻分布來實(shí)現(xiàn)表面折射率梯度的隨機(jī)分布，該表面覆蓋在金屬板上能夠使反射波呈現(xiàn)漫反射的效應(yīng),從而明顯抑制后向散射。 2014年，東南大學(xué)崔鐵軍教授等人提出了新型數(shù)字編碼可編程人工電磁表面。繼而通過來整體控制加載過開關(guān)二極管的

15、可重構(gòu)碼元結(jié)構(gòu)單元，來實(shí)現(xiàn)可編程的數(shù)字化新型人工電磁表面,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,用于縮減RCS的極化轉(zhuǎn)化超表面,Part Three,極化轉(zhuǎn)化超

16、表面，主要通過對(duì)入射波反射相位的調(diào)控，一塊超前90度，一塊滯后90度，實(shí)現(xiàn)180度的相位差，利用相位相消，實(shí)現(xiàn)波束分裂，從而形成漫反射，有效降低單站RCS,用于縮減RCS的極化轉(zhuǎn)化超表面,Part Three,單元反射系數(shù),單元反射相位,用于縮減RCS的極化轉(zhuǎn)化超表面,Part Three,超表面模型,透明吸波體1,Part Three,氧化銦錫(ITO)上層100歐/sq， 下層25歐/sq；PET介電常數(shù)3.2； 周期P=13mm；td=5mm,Sheokand H, Ghosh S, Singh G, et al. Transparent broadband metamaterial a

17、bsorber based on resistive filmsJ. Journal of Applied Physics, 2017, 122(10):105105,透明吸波體1,Part Three,單元反射系數(shù),吸波率,透明吸波體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,單元周期P=15mm；厚度H=3.8

18、5mm,透明吸波體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,透明吸波體3,Part Three,在一些頻段上，單站RCS 可以達(dá)到10dB以上的縮減,Part Four,反射相位,吸波率,周期P=8mm；厚度H=1.35mm； 藍(lán)色為PET，ITO頂層底層都是8歐/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