基于電磁超材料的超散射體的設(shè)計(jì)

康麗萍 馬占立

（河北省機(jī)電工程技師學(xué)院汽車與測量工程系）

0 引言

超穎材料（簡稱超材料）是本文的重點(diǎn)研究對象，而其中有關(guān)于電磁方面的超材料更是研究的重點(diǎn)。超材料簡單來說是指在自然界不存在的一種物質(zhì)材料，其性能是由人工定義的。迄今為止，我們所見到的材料大部分都是在自然界材料自身性質(zhì)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改變和優(yōu)化來滿足人們的需求，可是隨之科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，單純的自然界材料已經(jīng)無法滿足我們的需求，需要一種可以由自己定義的新材料，而超材料就由此而來。專門應(yīng)用于電磁領(lǐng)域的又稱為電磁超材料［1-5］。

1 研究背景

1.1 超材料

超材料的制備是一個非常復(fù)雜而且龐大的體系，它包括了電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等，并且超材料的出現(xiàn)正在將材料制備領(lǐng)域推向一個前所未有的高度［6-8］。不同于以往的自然界的材料制備，超材料可以使得人們針對自己的領(lǐng)域去制作自己所需要的材料。而本文主要想利用超材料應(yīng)用于電磁領(lǐng)域，使得電磁材料的性質(zhì)可以由自己制定［9-12］。

1.2 超散射體

超散射體的主要原理就是利用超材料的負(fù)相對介電常數(shù)和負(fù)相對磁導(dǎo)率，再加上補(bǔ)償介質(zhì)理論，來達(dá)到光路的改變進(jìn)而使得物體的散射面積增大。利用超材料的真空補(bǔ)償性，就可以放大實(shí)際物體的散射面積，以至于達(dá)到要放大物體的目標(biāo)。

超散射體的提出，不僅僅是使物體放大這么簡單，比如超散射體在電磁波檢測中是被放大的，但是實(shí)際中的物體還是同樣的大小，這就使得電磁場中的物體會穿不過一定大小的出口，而實(shí)際的物體卻依然可以進(jìn)出自由。這其實(shí)也為后面介紹的隱身斗篷提供了一種內(nèi)外部溝通的方法。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 超材料制備

起初科技水平不是很發(fā)達(dá)，因此超材料的制備只是停留在了理論層面上，實(shí)際操作中卻困難重重，這就導(dǎo)致了理論研究與實(shí)際研究不相符。對超材料的研究當(dāng)時只能從左手材料入手，而自然界也不存在這種材料，所以當(dāng)時只能進(jìn)行最簡單的建模，因此在實(shí)際中將負(fù)的電磁參數(shù)展現(xiàn)出來是當(dāng)時最重要的事情。

在實(shí)現(xiàn)了介電常數(shù)的負(fù)值之后，Pendry等人又提出了一種可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的方法。首先用兩個金屬爆破重疊在一起，然后將多個由兩個金屬環(huán)重疊在一起形成的單位組合排列到一起，構(gòu)成了一組排列有序的金屬環(huán)。而其中每個重疊在一起的金屬環(huán)都會構(gòu)成一個金屬諧振環(huán)。再施加特定的頻率就可以實(shí)現(xiàn)將材料的磁導(dǎo)率變成負(fù)值。

2.2 電磁器件

可以通過上述的制備超材料的思想來設(shè)計(jì)出許多不同功能的電磁超材料器件，他們將會在電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

例如隱身衣，Pendry等人在提出變換光學(xué)理論的時候，便介紹了一種在三維空間實(shí)現(xiàn)隱身的方法：物體如果不反射光線，那么就不會被人們看見，他們也正是利用了這一點(diǎn)，如果讓光線繞過物體傳播，那么就可以實(shí)現(xiàn)物體的隱身。隨后，Schurig等人優(yōu)化了隱身衣，使得隱身衣在TE（Transverse Electromagnetic）波的入射下也可以實(shí)現(xiàn)隱身的效果。但是這兩種隱身衣只能簡單的減少散射面積，不能做到完美的隱身，而隨后的研究都在逐步完善隱身衣的研究。

超材料不僅僅在隱身衣上發(fā)揮著重要的作用，同時在吸波領(lǐng)域也產(chǎn)生了很大的影響。

3 應(yīng)用

3.1 超散射體的設(shè)計(jì)

隱身衣的理念是利用超材料的特殊性質(zhì)使光路改變原本的傳播方向，讓光路繞開物體傳播，這樣就可以使得在電場中是看不到物體的。那么是不是也可以同樣利用超材料來改變光路的傳播路徑來實(shí)現(xiàn)放大物體的作用。而作為一種新型的電磁器件，超散射體主要就是利用了超材料可以改變光路的性質(zhì)，讓被包裹的物體的散射截面放大，這樣就達(dá)到了在電場中放大物體的效果。

在電磁參數(shù)計(jì)算正確的情況下，超材料可以通過實(shí)現(xiàn)物體散射面積的放大進(jìn)而試下物體在虛擬空間中的放大，這種被包裹的物體稱為超散射體。無論在什么頻率下，超散射體和目標(biāo)柱體的電場分布圖在目標(biāo)柱體的外圍都是一樣的。這就證明了超散射體可以實(shí)現(xiàn)物體的放大，這一特性也在生活中有著很重要的作用。

可是在實(shí)際中不可能給物體包裹很厚的一層超材料來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模谝徊环戏糯蟮睦砟睿坏诙环蠈?shí)際中的經(jīng)濟(jì)情況，因?yàn)槌牧隙际侨斯ぶ苽涞?，所以成本較高，大批量的使用反而收益減小。因此在后續(xù)中可以考慮將包裹層減少，來達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3.2 隱身衣

如果超散射體可以使物體散射截面擴(kuò)大來達(dá)到放大物體的效果，那么同樣，如果讓光線繞過物體傳播的話，這樣觀測者就看不到物體，理論上就可以實(shí)現(xiàn)物體的隱身。但是這里的隱身并不是指人肉眼看不見的隱身。這里的隱身是指：將一個物體放在一個場域中，在外面加一層超材料的包裹層。這樣最后含有物體的場域和電磁波在真空中傳播的場域是基本一樣的。

因?yàn)槿S的情況過于復(fù)雜，所以這里像超散射體一樣也在二維的情況下，進(jìn)行隱身衣參數(shù)計(jì)算及仿真。還是拿一個圓形來作為實(shí)際物體，如果想要實(shí)現(xiàn)隱身，就需要讓光線繞過圓形部分進(jìn)行傳播。

通過觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)有隱身斗篷存在的電場分布圖像和TE波在真空中傳播的電場分布圖像相似，所以可以認(rèn)為通過仿真證明了隱身斗篷的可能性。因?yàn)椴ㄊ菑淖笙蛴胰肷涞?，所以在物體的右側(cè)，電場的分布是不均勻的?？梢园l(fā)現(xiàn)隱身斗篷的整個電場分布圖像和TE波在真空中傳播的圖像是相似的。所以證明了隱身斗篷的隱身性能是良好的。

通過觀察可以發(fā)現(xiàn)無論頻率在取何值的時候，隱身衣都能取到良好的隱身效果。并且在頻率較高時也就可以發(fā)現(xiàn)，在超材料包裹層中，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)光路的扭曲，光線繞開了實(shí)際的物體。

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 減少超材料包裹層厚度

其本質(zhì)上是將物體進(jìn)行了等比例的放大。可是考慮到實(shí)際情況，無論是從設(shè)計(jì)理念，還是經(jīng)濟(jì)情況，都不允許包裹層很厚，這樣既違背了想讓物體明顯放大本質(zhì)，同時還違背了經(jīng)濟(jì)合理性原則，所以包裹層要盡量的小，來節(jié)省空間和材料。

4.2 用均勻的材料來代替超材料

本文上節(jié)中將超材料包裹層的厚度減少了，因?yàn)槌牧系闹苽湓趯?shí)際中是十分困難的，這樣可以節(jié)省很多材料同時兼顧經(jīng)濟(jì)因素。但是盡管減少了超材料包裹層的厚度，超材料制備的困難性還是沒有得到解決。因?yàn)樽匀唤缰写嬖诘慕橘|(zhì)和材料都是均勻的并且性質(zhì)固定，不會出現(xiàn)隨著半徑的改變電磁參數(shù)也隨之改變的情況。所以嘗試用均勻的材料來代替超材料包裹層，這樣就可以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)超材料的制備。

正如上述所說，自然界的材料都是均勻的并且性質(zhì)確定的。所以經(jīng)過考慮后，采取了分層的方法，就是將超材料包裹層分成若干層，然后每層的半徑都取中間值來作為本層的電磁參數(shù)中的變量r。這樣就做到了對一個非均勻且各向異性的超材料包裹層用實(shí)際中可以找到或者制備的均勻的材料進(jìn)行替代。

5 結(jié)束語

作為新生的一類材料系統(tǒng)，超材料的研究廣泛地開展在光學(xué)，微電子學(xué)以及通信等領(lǐng)域。由于目前制造水平發(fā)展的不足，國內(nèi)外對于超材料的研究普遍采用理論推導(dǎo)和模擬仿真的方法。

在未來超材料一定會成為在工業(yè)，軍事等領(lǐng)域的重要材料，因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)，可以根據(jù)自己的需要來制作相應(yīng)的超材料?，F(xiàn)在關(guān)于超材料的最主要的研究包括隱身斗篷、超散射體、超材料透鏡、定向天線以及吸波超材料五個方向。而超散射體可以用在飛機(jī)的黑匣子上，在黑匣子外圍涂上一層包裹層的話，就會使得其散射截面積變大。這就會讓其更容易被發(fā)現(xiàn)，為營救工作提供了不小的幫助。而且還因?yàn)槌牧峡梢詫?shí)現(xiàn)物體散射面積的放大，可以讓實(shí)際中比較小的物體被放大。雖然現(xiàn)在因?yàn)榫窒抻诔牧系闹谱骼щy導(dǎo)致對于超材料的研究理論和實(shí)際不相平衡，但是隨著科技水平的不斷提高，超材料在未來定會成為一種不可或缺的材料。