電磁影身技術(shù)

1、這些年我們的電磁隱身夢(mèng)最近看到Physical Review X上發(fā)了一篇電磁隱身的論文，頗為新穎，于是想起來(lái)寫(xiě)一篇電磁隱身的文章好了。首先把一些基本概念縷清楚。這里講的是電磁隱身，頻段落在微波內(nèi)，不談光學(xué)隱身。不過(guò)說(shuō)起隱身，大家最熟悉的就是光學(xué)的隱身，也是最容易理解的，因?yàn)槭侵苯拥囊曈X(jué)效果嘛，穿上斗篷就看不見(jiàn)了神馬的。但是電磁隱身想要欺騙的對(duì)象不是人眼，而且雷達(dá)，雷達(dá)的話就有了另外一個(gè)判別標(biāo)準(zhǔn)，這就是RCS，雷達(dá)散射截面。雷達(dá)散射截面，說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)就是衡量目標(biāo)散射電磁波的能力。RCS又分單站RCS和雙站RCS，畢竟雷達(dá)也算一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的專(zhuān)業(yè)分支，我本科也木有選雷達(dá)原理，就不多講雷達(dá)了。那么，自從

2、雷達(dá)發(fā)明之后，如果避免被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)就被搬上了日程。最終的成果就是現(xiàn)在的各種隱身飛機(jī)啊，艦船什么的。飛機(jī)上比較常見(jiàn)的就是涂料+幾何。比如F-22。圖片來(lái)源：wikipedia涂料的話，就是能夠直接吸收電磁波的涂料，吸收了一部分入射波的話，自然散射出去的就少了，很簡(jiǎn)單的道理。幾何的話就是采用棱角，大的傾斜面，將電磁波散射到其他的方向，這樣的做法對(duì)單站雷達(dá)很有效，但是對(duì)雙站或者多站的效果就不是那么好了。大家可以仔細(xì)看一下F-22的機(jī)頭，從顏色來(lái)看就能看出那里的涂裝和機(jī)身不同。因?yàn)闄C(jī)頭里面是飛機(jī)自己的雷達(dá)，外面如果涂上吸波材料的話，就把自己弄瞎了。機(jī)頭也不能用金屬，那樣就直接把自己的雷達(dá)屏蔽掉了。如果用

3、非金屬材料，不影響電磁波的傳播的話，可惜雷達(dá)本身的RCS會(huì)很大，對(duì)于整體的隱身就破壞掉了。這里的解決方法放到后面說(shuō)。還有一個(gè)是等離子體隱身，就是運(yùn)用了等離子體對(duì)電磁波的吸收，具體的實(shí)現(xiàn)方法我就沒(méi)研究了，嗯。以上說(shuō)的都是目前大家比較熟悉的一些電磁隱身的實(shí)例，特別是對(duì)軍事感興趣的朋友很有可能比我更熟悉。不過(guò)實(shí)際上現(xiàn)在學(xué)術(shù)界對(duì)電磁隱身的研究都是一些另外的方法，而我們所隱身的物體通常都是一個(gè)金屬圓柱。這些研究可能看起來(lái)實(shí)際用處不大，不過(guò)隨著不斷的發(fā)展，以后總會(huì)亮瞎我們的雙眼的。在開(kāi)始講各種圓柱體隱身方法前，把F-22機(jī)頭的講完先。要解決這個(gè)問(wèn)題，用頻率選擇表面（Frequency Selective

4、Surface: FSS）就能搞定，F(xiàn)SS倒正好是我碩士研究課題呢。圖片來(lái)源：東南大學(xué)羅國(guó)清博士論文一張圖簡(jiǎn)單說(shuō)明。所謂FSS，就是對(duì)空間中傳播的電磁波進(jìn)行濾波的一種無(wú)源器件（今天寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告的第一句話）。那么，如果用一個(gè)帶通的FSS覆蓋在機(jī)頭上，是雷達(dá)的工作頻段的電磁波能夠透射出去，而其他頻段的電磁波被反射掉，就解決了雷達(dá)RCS的問(wèn)題。雖然這里是反射掉，但是因?yàn)镕-22的幾何外形是設(shè)計(jì)的很好的，所以RCS會(huì)比一個(gè)裸雷達(dá)小很多那么，接下來(lái)，開(kāi)始對(duì)圓柱體的電磁隱身吧首先，請(qǐng)出人工電磁材料（Metamaterial）和變換光學(xué)法（Transformation Optics）。關(guān)于人工電磁材料，可參照

5、我的這篇帖子： （總是能不停的自我引用真好），這里一句話總結(jié)一下，人工電磁材料就是通過(guò)使用周期性排列的特定金屬結(jié)構(gòu)在一定的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通物質(zhì)無(wú)法擁有的獨(dú)特電磁特性的一種“材料”。其實(shí)那篇帖子里就提到了隱身的東西。至于變換光學(xué)法，有條件的同學(xué)可以看一下這篇文獻(xiàn)Calculation of material properties and ray tracing in transformation media1，我在這里用論文里的圖大概說(shuō)一下：圖A就是普通的卡迪爾坐標(biāo)系空間，中間橫著的藍(lán)線代表電磁波的傳播路徑。圖B就是經(jīng)過(guò)幾何變換的坐標(biāo)系空間，在這個(gè)空間下中間的一圈是不存在的，那么電磁波就會(huì)繞過(guò)中心

6、在扭曲的空間中沿”直線”傳播。最后，圖C，通過(guò)將空間的坐標(biāo)系變換映射為一圈介質(zhì)（淺藍(lán)色）的電磁參數(shù)的變換，就實(shí)現(xiàn)了在卡迪爾坐標(biāo)系下，通過(guò)特殊的介質(zhì)來(lái)扭曲電磁波傳播了。這樣一來(lái)你在中間那一圈隨意放什么東西都無(wú)所謂了。那么為什么要用到人工電磁材料呢，因?yàn)橛?jì)算出來(lái)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率都是各向異性的，而且有0-1之間的取值，自然界的物質(zhì)是無(wú)法做出來(lái)的。后來(lái)在Metamaterial Electromagnetic Clock at Microwave Frequencies2這篇文獻(xiàn)中就報(bào)道了使用SRR環(huán)構(gòu)成的人工電磁材料實(shí)現(xiàn)了這一隱身：這里的C圖和D圖就分別是實(shí)測(cè)的純金屬柱和金屬柱加人工電磁材

7、料的情況下的電場(chǎng)分布。至于為什么效果不是那么理想，是因?yàn)樵趯?shí)際實(shí)現(xiàn)中也還是做了一些簡(jiǎn)化，要完全按照計(jì)算出來(lái)的參數(shù)做的話太復(fù)雜了。那么下面介紹另一種方法，也是我個(gè)人認(rèn)為非常巧妙的一例。這種方法的根本思想是相位補(bǔ)償。如果僅僅通過(guò)某些方法讓電磁波繞過(guò)金屬柱傳播過(guò)去，雖然沒(méi)有反射波，但是紅色的路徑長(zhǎng)度會(huì)大于藍(lán)色的路徑，于是沿紅色路徑的電磁波的相位就比藍(lán)色路徑的多了一個(gè)延遲，這樣一來(lái)透射波就不再是平面波了，因?yàn)榈认辔幻婢筒皇瞧矫妫且粋€(gè)曲面了。這個(gè)在變換光學(xué)法中不是問(wèn)題，因?yàn)樽儞Q得到的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)小于1，那么根據(jù)：，介質(zhì)中的電磁波的相速度會(huì)大于光速，所以就算多走路徑，也不會(huì)造成相位

8、延遲。（相速度大于光速在微波電路中很常見(jiàn)的，比如矩形波導(dǎo)里面的行波的相速度就大于光速，因?yàn)橄嗨俣戎皇窍辔蛔兓乃俣?，而代表信息或者能量傳播的群速度是不?huì)大于光速的）在這篇論文Super-Thin Cloaks Based on Microwave Networks3中，作者巧妙地用貼片天線來(lái)實(shí)現(xiàn)了電磁波的相位補(bǔ)償。如下圖所示：圖中的那一圈金黃色的寬的貼片就是用微帶線連接起來(lái)的貼片天線，入射波在天線的工作頻率被吸收，然后通過(guò)兩邊的微帶線向后傳播。因?yàn)樽髡呤褂玫氖歉呓殡姵?shù)的基板（），所以大部分的場(chǎng)都被束縛在了基板內(nèi)部，從而在電磁波沿著表面向后傳播的過(guò)程中場(chǎng)模式類(lèi)似于TE10模，從而在貼片下傳播的

9、場(chǎng)的相速度極其的快，最后通過(guò)計(jì)算得出中間的微帶線的長(zhǎng)度，使得繞半圈的相位延遲等于直線傳播的相位延遲，使得電磁波經(jīng)過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)后等相位面依然是平面波。這張圖就能很明顯的說(shuō)明隱身效果了。(a)和(d)分別是有隱身結(jié)構(gòu)和沒(méi)有隱身結(jié)構(gòu)下的電場(chǎng)的分布，(b)和(e)是磁場(chǎng)，(c)和(f)是能流密度矢量?？梢钥闯黾恿穗[身結(jié)構(gòu)之后，電磁場(chǎng)幾乎完美的繞過(guò)了整個(gè)金屬柱傳播，后面的等相位面依然是個(gè)很漂亮的平面。而且這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法比變換光學(xué)法簡(jiǎn)單很多，整個(gè)包裹的結(jié)構(gòu)也薄了很多。那么最后，回到開(kāi)頭說(shuō)的Physical Review X上的那篇論文。Experimental Demonstration of Acti

10、ve Electromagnetic Cloaking4這片論文是這么個(gè)意思，既然我們知道了入射的場(chǎng)，圖中的點(diǎn)源，我們就能知道這個(gè)金屬柱的散射場(chǎng)，那么，在金屬柱的周?chē)派弦蝗Υ排紭O子，然后人工產(chǎn)生一個(gè)，于是，兩個(gè)散射場(chǎng)相互抵消，就只剩下入射場(chǎng)了，就如圖中那個(gè)公式一樣。不過(guò)他這個(gè)想法實(shí)現(xiàn)起來(lái)就真的好麻煩了，在柱子周?chē)帕艘欢循h(huán)天線（磁偶極子），然后要分別控制每一個(gè)天線的幅度和相位什么的。不過(guò)可喜可賀的是最后的效果蠻好的 (a)圖是實(shí)測(cè)的隱身效果，(b)圖是電磁波直接入射到一個(gè)金屬柱的散射，(c)圖是用COMSOL仿真的結(jié)果，三個(gè)圖都是電場(chǎng)分布。這種方法雖然比起第二種麻煩了不少，不過(guò)也是有他的優(yōu)點(diǎn)

11、的。第二種方法只能對(duì)固定的入射波有效，也就是說(shuō)必須是平面波。而這種方法理論上可以應(yīng)對(duì)各種入射波，比如柱面波（上圖就是）?？偟膩?lái)說(shuō)，只要你能時(shí)時(shí)測(cè)得入射場(chǎng)的模式，這種方法就能及時(shí)調(diào)整各個(gè)偶極子的輻射來(lái)適應(yīng)。這也是目前看到的唯一一種能重構(gòu)的隱身結(jié)構(gòu)。又是，好長(zhǎng)一篇啊不知道沒(méi)有電磁場(chǎng)基礎(chǔ)的讀者看起來(lái)感覺(jué)如何呢看不懂的話歡迎各位去“小波掃起來(lái)”小組看一看幾篇教學(xué)貼 總的來(lái)說(shuō)呢，目前學(xué)術(shù)界對(duì)于隱身的研究還是蠻重視的，而且隨著太赫茲研究的發(fā)展，應(yīng)該也會(huì)繼續(xù)向著更高的頻率做。以后再看到好玩的文章再來(lái)和大家分享 最近的話，昨天下到了蘋(píng)果最新申請(qǐng)的無(wú)線充電系統(tǒng)的專(zhuān)利，有時(shí)間了解讀一下，如果有趣的話就來(lái)寫(xiě)一篇吧。

12、參考文獻(xiàn)：1：D. Schuig, J. Pendry, and D. Smith, "Calculation of material properties and ray tracing in transformation media,"Opt. Express14, 9794-9804 (2006).2：Schurig, David, et al. "Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies." Science 314.5801 (2006): 977-980.3：Jiafu Wang; Shaobo Qu; Zhuo Xu; Hua Ma; Jieqiu Zhang; Yinghong Li; Xinhua Wang, "Super-Thin Cloaks Based on Microwave Networks," Antennas and Propagation, IEEE Trans