基于超常媒質(zhì)的新型隱身技術(shù)研究.pdf

1、近幾年，超常媒質(zhì)（metamaterial）伴隨著其分支——左手介質(zhì)的迅猛發(fā)展而不斷受到固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛青睞。所謂超常媒質(zhì)，是指具有天然媒質(zhì)所不具備的超常物理性質(zhì)的一類人工復(fù)合媒質(zhì)或結(jié)構(gòu)的總稱，其物理性質(zhì)是由結(jié)構(gòu)而不是材料特性決定的。尤其值得注意的是，最近兩年，基于超常媒質(zhì)的新型隱身技術(shù)在國際上引起巨大轟動(dòng)，它突破了傳統(tǒng)基于外形隱身和吸波材料隱身的局限，理論上使物體能夠在任何方向都不可見，從而實(shí)現(xiàn)“完美”

2、隱身。但畢竟只是理論預(yù)測(cè)，作為一門新興前沿科學(xué)，其在很多方面還很不完善，仍然處于一種摸索前進(jìn)狀態(tài)，還有很多的基本理論、實(shí)踐問題亟待解決?；谏鲜鲈颍髡邔ⅰ耙曰谧儞Q媒質(zhì)理論的隱身罩設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，綜合散射場(chǎng)縮減理論和阻抗匹配理論的分析方法，結(jié)合數(shù)值仿真驗(yàn)證，進(jìn)行新型超常媒質(zhì)隱身罩理論模型的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及隱身機(jī)理研究”作為研究思路撰寫本論文，從而綜合發(fā)展基于超常媒質(zhì)隱身技術(shù)的基本理論和研究方法，為其實(shí)用化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　首先，

3、本文研究了基于坐標(biāo)變換的變換媒質(zhì)理論，采用幾何映射方法定義坐標(biāo)變換，從數(shù)值算法中的理想匹配層（PML）材料的媒質(zhì)變換方程出發(fā)，推導(dǎo)了三種正交坐標(biāo)系下非均勻各向異性超常媒質(zhì)完美隱身罩的媒質(zhì)變換方程。以無限長圓柱隱身罩設(shè)計(jì)為例，采用理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方法進(jìn)行了深入探討。
　　其次，采用Alu提出的散射場(chǎng)縮減理論深入探討了超常媒質(zhì)的隱身機(jī)理。文中通過Mie級(jí)數(shù)展開方法推導(dǎo)了電小球體覆蓋超常媒質(zhì)罩的散射場(chǎng)表達(dá)式，精確計(jì)算出該超

4、常媒質(zhì)罩實(shí)現(xiàn)隱身的條件，并進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證。本文進(jìn)一步推導(dǎo)了球體完美隱身罩的散射場(chǎng)表達(dá)式，嚴(yán)格證明其散射場(chǎng)在所有方向均為零?？紤]超常媒質(zhì)損耗，得出散射體后向散射仍然為零的重要結(jié)論。
　　最后，本文利用阻抗匹配理論，討論了均勻媒質(zhì)的后向散射縮減問題，得出了該理論不受散射體形狀的限制的推論，進(jìn)而分析了在滿足阻抗匹配特性、具有阻止能量進(jìn)入媒質(zhì)罩內(nèi)部條件下的隱身罩模型的性能。在此基礎(chǔ)上，變換媒質(zhì)理論設(shè)計(jì)的圓柱完美隱身罩簡(jiǎn)化模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)，結(jié)果表明，相比于簡(jiǎn)化模型，優(yōu)化模型具有更為優(yōu)良的隱身性能，而相比于完美隱身模型，其更有利于結(jié)合現(xiàn)實(shí)超常媒質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際隱身罩構(gòu)造。
　　本文的研究成果綜合發(fā)展了基于超常媒質(zhì)隱身技術(shù)的各種理論、隱身罩設(shè)計(jì)方法和分析方法，在更為深刻的向人們展示了其電磁激發(fā)機(jī)理和隱身機(jī)理的同時(shí)，為設(shè)計(jì)性能更為優(yōu)良，開展更為先進(jìn)的研究分析方法，以及為該新型隱身技術(shù)走向?qū)嵱没蛳铝藞?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)超常媒質(zhì)及其隱身技術(shù)相關(guān)研究的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用