电磁隐身超材料.pdf

在了解电磁隐身超材料之前，首先需要认识什么是超材料。超材料（Metamaterials），又称为新型人工电磁材料，是设计出来的由人工复合材料构成的单元结构周期或非周期排列而成。这些材料的尺寸通常远小于电磁波的波长，它们能够与电磁波进行相互作用，从而赋予材料一些自然界中不存在的奇异物理特性。这些人工结构单元的作用，与传统材料中原子和分子的功能相似。通过精心设计这些单元结构的排列，可以制造出宏观上表现均匀的材料，并通过特定设计实现独特的物理性能。 超材料的一个重要特性是具有能够控制电磁波传播方向的能力。根据材料介电常数和磁导率的不同，可以将材料分为几个区域。正常材料（区域I）的介电常数和磁导率都是正的；电等离子体材料（区域II）在某些频率下磁导率是负的；磁等离子体材料（区域IV）在某些频率下介电常数是负的；而区域III则非常独特，它的介电常数和磁导率同时为负，这是自然界中不存在的，因此它是一个非常引人注目的研究领域。 在2001年，D.R.Smith教授首次实现了人工左手材料（左手材料是指其介电常数和磁导率都为负值的材料）。这种材料拥有许多非常规的电磁特性，包括负折射现象、逆Snell效应、逆Doppler效应和反向切伦科夫辐射等。电磁波在这种材料中传播时，其电场E、磁场H和波矢量k符合左手定则，波矢量k的方向与坡印廷矢量S的方向相反，导致了这些奇异现象的产生。 超材料研究领域还经历了多次重大突破。例如，2005年D.R.Smith教授发现了渐变折射率的媒质，可以实现电磁波束的偏折。次年，基于这一发现，他利用新型人工电磁材料研制出了微波波段的隐身斗篷，该斗篷能让电磁波绕过目标，从而实现目标的隐身。美国普渡大学的学者提出桌面黑洞理论后，东南大学的程强教授等人成功构造了微波波段的“人工电磁黑洞”，利用谐振单元构成的同轴环吸收电磁波，能够吸收99%的电磁波。 新型人工电磁表面（Metasurface）是超材料的另一个重要分支。2011年，通过引入相位梯度的人工电磁表面谐振单元设计，能够实现电磁波的异常反射和折射现象。与传统超材料不同，新型人工电磁表面更加灵活，通过控制表面不同位置的相位梯度来调控空间电磁波，从而实现对电磁波幅度、相位、极化、波态和传播方向的操纵。这一进展也迅速引起了全球范围内的关注，并为电磁隐身、微波和太赫兹器件、光电子器件等领域的发展提供了新的可能性。 超材料的发展为材料科学、电磁学和光学等众多领域带来了深远的影响，特别是在电磁隐身技术方面的应用，展现出了巨大的潜力。通过精确的设计与制造，超材料可以在特定波段内有效控制电磁波的行为，甚至实现对目标的“隐身”效果，这为军事、通讯和安全等应用领域开辟了新的方向。随着对超材料理解的深入和技术的不断进步，其应用前景将更加广阔。