电磁隐身超材料幻灯片课件
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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 图1.1 以介电常数和磁导率划分的媒质参数空间 性质的材料。
Part One
1.2 左手材料
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。
雷达专题 课程汇报
雷达隐身超材料
汇报人：陈伟康
来自百度文库
目录
CONTENT
01 新型人工电磁 材料介绍
03 结合自己的研 究工作
02 雷达隐身材料 发展和现状
04 总结与展望
Part One
1.1 新型人工电磁材料(Metamaterial)
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。
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
Part Two
2.1 雷达隐身技术介绍
✿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。
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.
Part One
1.3 工作回顾2
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。
Part One
1.4 新型人工电磁表面的优势 (Metasurface)
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。
Part One
1.1 新型人工电磁材料(Metamaterial)
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；
图1.2 左手材料单元
Part One
1.2 左手材料
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。
✿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
(dBsm)
10
lg
(m2 ) 1(m2 )
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。
Part Two
Part One
1.3 工作回顾1
✿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 frequencies[J]. Science, 2006, 314(5801):977-980.
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。
心得体会
✿整理雷达方程可得雷 达最大作用距离为
R max
[
Pt Gt Gr2 (4)3 Pmin
]1/ 4
因此，降低目标自身的 RCS 是减小雷达探测距离 的有效手段。
Part Two
2.2 传统电磁隐身方法介绍
整形
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。
Part One
1.4 新型人工电磁表面 ✿新型人工电磁表面的一个标志性进展是2011年提出通
(Metasurface)
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 refraction[J]. Science, 2011, 334(6054):333-337.
Part One
1.2 左手材料
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。
雷达专题 课程汇报
雷达隐身超材料
汇报人：陈伟康
来自百度文库
目录
CONTENT
01 新型人工电磁 材料介绍
03 结合自己的研 究工作
02 雷达隐身材料 发展和现状
04 总结与展望
Part One
1.1 新型人工电磁材料(Metamaterial)
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。
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
Part Two
2.1 雷达隐身技术介绍
✿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。
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.
Part One
1.3 工作回顾2
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。
Part One
1.4 新型人工电磁表面的优势 (Metasurface)
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。
Part One
1.1 新型人工电磁材料(Metamaterial)
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；
图1.2 左手材料单元
Part One
1.2 左手材料
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。
✿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
(dBsm)
10
lg
(m2 ) 1(m2 )
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。
Part Two
Part One
1.3 工作回顾1
✿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 frequencies[J]. Science, 2006, 314(5801):977-980.
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。
心得体会
✿整理雷达方程可得雷 达最大作用距离为
R max
[
Pt Gt Gr2 (4)3 Pmin
]1/ 4
因此，降低目标自身的 RCS 是减小雷达探测距离 的有效手段。
Part Two
2.2 传统电磁隐身方法介绍
整形
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。
Part One
1.4 新型人工电磁表面 ✿新型人工电磁表面的一个标志性进展是2011年提出通
(Metasurface)
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 refraction[J]. Science, 2011, 334(6054):333-337.