电磁影身技术

这些年我们的电磁隐身梦最近看到PhysicalReviewX上发了一篇电磁隐身的论文，颇为新颖，于是想起来写一篇电磁隐身的文章好了。首先把一些基本概念缕清楚。这里讲的是电磁隐身，频段落在微波内，不谈光学隐身。不过说起隐身，大家最熟悉的就是光学的隐身，也是最容易理解的，因为是直接的视觉效果嘛，穿上斗篷就看不见了神马的。但是电磁隐身想要欺骗的对象不是人眼，而且雷达，雷达的话就有了另外一个判别标准，这就是RCS，雷达散射截面。雷达散射截面，说简单点就是衡量目标散射电磁波的能力。RCS又分单站RCS和双站RCS，毕竟雷达也算一个相对独立的专业分支，我本科也木有选雷达原理，就不多讲雷达了。那么，自从雷达发明之后，如果避免被雷达发现就被搬上了日程。最终的成果就是现在的各种隐身飞机啊，舰船什么的。飞机上比较常见的就是涂料+几何。比如F-22。[图片来源：wikipedia]涂料的话，就是能够直接吸收电磁波的涂料，吸收了一部分入射波的话，自然散射出去的就少了，很简单的道理。几何的话就是采用棱角，大的倾斜面，将电磁波散射到其他的方向，这样的做法对单站雷达很有效，但是对双站或者多站的效果就不是那么好了。大家可以仔细看一下F-22的机头，从颜色来看就能看出那里的涂装和机身不同。因为机头里面是飞机自己的雷达，外面如果涂上吸波材料的话，就把自己弄瞎了。机头也不能用金属，那样就直接把自己的雷达屏蔽掉了。如果用非金属材料，不影响电磁波的传播的话，可惜雷达本身的RCS会很大，对于整体的隐身就破坏掉了。这里的解决方法放到后面说。还有一个是等离子体隐身，就是运用了等离子体对电磁波的吸收，具体的实现方法我就没研究了，嗯。以上说的都是目前大家比较熟悉的一些电磁隐身的实例，特别是对军事感兴趣的朋友很有可能比我更熟悉。不过实际上现在学术界对电磁隐身的研究都是一些另外的方法，而我们所隐身的物体通常都是一个金属圆柱。这些研究可能看起来实际用处不大，不过随着不断的发展，以后总会亮瞎我们的双眼的。在开始讲各种圆柱体隐身方法前，把F-22机头的讲完先。要解决这个问题，用频率选择表面（FrequencySelectiveSurface:FSS）就能搞定，FSS倒正好是我硕士研究课题呢。[图片来源：东南大学罗国清博士论文]一张图简单说明。所谓FSS，就是对空间中传播的电磁波进行滤波的一种无源器件（今天写开题报告的第一句话）。那么，如果用一个带通的FSS覆盖在机头上，是雷达的工作频段的电磁波能够透射出去，而其他频段的电磁波被反射掉，就解决了雷达RCS的问题。虽然这里是反射掉，但是因为F-22的几何外形是设计的很好的，所以RCS会比一个裸雷达小很多~那么，接下来，开始对圆柱体的电磁隐身吧~首先，请出人工电磁材料（Metamaterial）和变换光学法（TransformationOptics）。关于人工电磁材料，可参照我的这篇帖子：（总是能不停的自我引用真好），这里一句话总结一下，人工电磁材料就是通过使用周期性排列的特定金属结构在一定的频段内实现普通物质无法拥有的独特电磁特性的一种“材料”。其实那篇帖子里就提到了隐身的东西。至于变换光学法，有条件的同学可以看一下这篇文献《Calculationofmaterialpropertiesandraytracingintransformationmedia》[1]，我在这里用论文里的图大概说一下：图A就是普通的卡迪尔坐标系空间，中间横着的蓝线代表电磁波的传播路径。图B就是经过几何变换的坐标系空间，在这个空间下中间的一圈是不存在的，那么电磁波就会绕过中心在扭曲的空间中沿”直线”传播。最后，图C，通过将空间的坐标系变换映射为一圈介质（浅蓝色）的电磁参数的变换，就实现了在卡迪尔坐标系下，通过特殊的介质来扭曲电磁波传播了。这样一来你在中间那一圈随意放什么东西都无所谓了。那么为什么要用到人工电磁材料呢，因为计算出来的相对介电常数和相对磁导率都是各向异性的，而且有0-1之间的取值，自然界的物质是无法做出来的。后来在《MetamaterialElectromagneticClockatMicrowaveFrequencies》[2]这篇文献中就报道了使用SRR环构成的人工电磁材料实现了这一隐身：这里的C图和D图就分别是实测的纯金属柱和金属柱加人工电磁材料的情况下的电场分布。至于为什么效果不是那么理想，是因为在实际实现中也还是做了一些简化，要完全按照计算出来的参数做的话太复杂了。那么下面介绍另一种方法，也是我个人认为非常巧妙的一例。这种方法的根本思想是相位补偿。如果仅仅通过某些方法让电磁波绕过金属柱传播过去，虽然没有反射波，但是红色的路径长度会大于蓝色的路径，于是沿红色路径的电磁波的相位就比蓝色路径的多了一个延迟，这样一来透射波就不再是平面波了，因为等相位面就不是平面，而是一个曲面了。这个在变换光学法中不是问题，因为变换得到的介质的相对介电常数和相对磁导率会小于1，那么根据：，介质中的电磁波的相速度会大于光速，所以就算多走路径，也不会造成相位延迟。（相速度大于光速在微波电路中很常见的，比如矩形波导里面的行波的相速度就大于光速，因为相速度只是相位变化的速度，而代表信息或者能量传播的群速度是不会大于光速的）在这篇论文《Super-ThinCloaksBasedonMicrowaveNetworks》[3]中，作者巧妙地用贴片天线来实现了电磁波的相位补偿。如下图所示：图中的那一圈金黄色的宽的贴片就是用微带线连接起来的贴片天线，入射波在天线的工作频率被吸收，然后通过两边的微带线向后传播。因为作者使用的是高介电常数的基板（），所以大部分的场都被束缚在了基板内部，从而在电磁波沿着表面向后传播的过程中场模式类似于TE10模，从而在贴片下传播的场的相速度极其的快，最后通过计算得出中间的微带线的长度，使得绕半圈的相位延迟等于直线传播的相位延迟，使得电磁波经过整个结构后等相位面依然是平面波。这张图就能很明显的说明隐身效果了。(a)和(d)分别是有隐身结构和没有隐身结构下的电场的分布，(b)和(e)是磁场，(c)和(f)是能流密度矢量。可以看出加了隐身结构之后，电磁场几乎完美的绕过了整个金属柱传播，后面的等相位面依然是个很漂亮的平面。而且这种结构的设计方法比变换光学法简单很多，整个包裹的结构也薄了很多。那么最后，回到开头说的PhysicalReviewX上的那篇论文。《ExperimentalDemonstrationofActiveElectromagneticCloaking》[4]这片论文是这么个意思，既然我们知道了入射的场，图中的点源，我们就能知道这个金属柱的散射场，那么，在金属柱的周围放上一圈磁偶极子，然后人工产生一个，于是，两个散射场相互抵消，就只剩下入射场了，就如图中那个公式一样。不过他这个想法实现起来就真的好麻烦了，在柱子周围放了一堆环天线（磁偶极子），然后要分别控制每一个天线的幅度和相位什么的。不过可喜可贺的是最后的效果蛮好的~(a)图是实测的隐身效果，(b)图是电磁波直接入射到一个金属柱的散射，(c)图是用COMSOL仿真的结果，三个图都是电场分布。这种方法虽然比起第二种麻烦了不少，不过也是有他的优点的。第二种方法只能对固定的入射波有效，也就是说必须是平面波。而这种方法理论上可以应对各种入射波，比如柱面波（上图就是）。总的来说，只要你能时时测得入射场的模式，这种方法就能及时调整各个偶极子的辐射来适应。这也是目前看到的唯一一种能重构的隐身结构。又是，好长一篇啊……不知道没有电磁场基础的读者看起来感觉如何呢~看不懂的话欢迎各位去“小波扫起来”小组看一看几篇教学贴~总的来说呢，目前学术界对于隐身的研究还是蛮重视的，而且随着太赫兹研究的发展，应该也会继续向着更高的频率做。以后再看到好玩的文章再来和大家分享~最近的话，昨天下到了苹果最新申请的无线充电系统的专利，有时间了解读一下，如果有趣的话就来写一篇吧。参考文献：[1]：D.Schuig,J.Pendry,andD.Smith,Calculationofmaterialpropertiesandraytracingintransformationmedia,Opt.Express14,9794-9804(2006).[2]：Schurig,David,etal.Metamaterialelectromagneticcloakatmicrowavefrequencies.Science314.5801(2006):977-980.[3]：JiafuWang;ShaoboQu;ZhuoXu;HuaMa;JieqiuZhang;YinghongLi;XinhuaWang,Super-ThinCloaksBasedonMicrowaveNetworks,AntennasandPropagation,IEEETransactionson,vol.61,no.2,pp.748,754,Feb.2013[4]：Selvanayagam,M.,&Eleftheriades,G.V.(2013).ExperimentalDemonstrationofActiveElectromagneticCloaking.PhysicalReviewX,3(4),041011.