超材料隐身套

今年的全国百篇优秀博士论文。
http://www.cdgdc.edu.cn/xwyyjsjyxx/sy/syzhxw/274025.shtml
第6节实验介绍有点意思。


超材料是指某些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是近年来国际学术界的研究热点和前沿。超材料不单是一种材料形态，也代表一种新的材料设计理念，给人们在世界观和方法论上带来革命性的改变。借助于超材料的超常物理性质，可以实现具有某种奇异功能或者比同类传统器件在性能上更加优越的新型功能器件，在隐身技术、电子对抗、雷达成像、微波技术等领域具有重要的应用价值。超材料以及超材料隐身技术分别于2003年、2006年被《Science》杂志评为年度十大科学进展之一，美国等西方国家将其列为具有战略意义的科学问题和关键技术进行研究。
本文立足于超材料及功能器件这一国际研究热点，以超材料隐身套及新型功能器件在军事上的应用需求为背景，在国家自然科学基金重点项目(左手材料的设计、制备和物理效应研究，50632030)及面上项目（基于电畴与磁畴共振特性的左手复合材料的研究，10474077；基于电谐振器与磁谐振器的陶瓷基左手材料的研究，60871027）、“863”探索基金（超材料隐身技术探索研究，2005AA000200）、总装探索研究项目（具有奇异特性的左手材料，7130503）等的资助下，围绕超材料隐身套和新型功能器件的物理机制、设计原理和方法等关键科学问题进行了深入的理论研究、计算仿真和实验验证，特别在弱对称形状隐身套、开口隐身套、波形保持媒质和左右手界面波导等方面进行了开创性研究，取得了突出的学术成果。主要研究内容和创新点如下：


超材料隐身套参数设计的解析理论
2006年，英国物理学家Pendry等人在《Science》上撰文，提出了用超材料套实现完美隐身的思想并建立了Pendry公式。Pendry公式只适用于设计真空背景中的隐身套，且当时Pendry只导出了圆柱体和球体两类简单形状的隐身套参数方程。因此，研究复杂背景中、具有弱对称性或非对称性形状隐身套的设计问题，成为超材料隐身套技术实用化的必然要求。
本文运用坐标变换理论，提出了适用于各种背景介质类型的隐身套参数设计方法，得到了Pendry公式的一般形式。采用线域压缩形式，建立了椭圆柱、旋转椭球、棱柱等规则形状隐身套参数方程，并将其推广到同类形状声波隐身套的设计上。同时，基于物理上实现隐身套的需要，研究了柱体隐身套参数方程的简化方法，分别在TE和TM模式下得到了椭圆柱隐身套参数方程的简化形式。这些工作为采用简单模型的组合来构建复杂形状隐身套奠定了基础。
主要创新点：首次建立了椭圆柱、旋转椭球等规则形状以及适用于各种背景介质类型的隐身套参数方程，突破了原有隐身套设计仅有圆柱、球体两类对称模型的限制，解决了弱对称形状隐身套设计的难题，为用简单模型组合来构建复杂隐身套奠定了重要的理论基础。
2、复杂形状隐身套参数设计的数值理论
隐身套参数设计的基础是坐标变换理论，在实施空间拓扑变换时必须明确变换点之间的坐标对应关系。不规则或复杂形状物体通常很难用解析方法描述其几何特征，难以建立变换点坐标之间的解析关系，这对于设计具有实际应用价值的复杂形状隐身套是一个极大的难题。因此，必须建立任意形状隐身套参数设计的近似方法和数值理论。
本文采用拓扑变换理论，研究了任意形状隐身套参数设计的理论与方法。首先，基于同胚拓扑思想，提出了等位置面和轨迹线的概念，并以之描述空间压缩变换。在此基础上，提出了将任意形状隐身物体近似为多面体的设计思路，将等位置面和轨迹线分别简化为平面和直线，克服了复杂形状难以解析描述的困难。最后，基于同胚映射和多面体近似的思想，建立了复杂形状隐身套参数设计的数值理论。
主要创新点：将同胚拓扑理论应用于隐身套设计领域，建立了任意形状隐身套设计的近似方法和数值理论，为实现复杂形状封闭隐身套的工程化设计奠定了基础。该思想和方法也可推广应用于声波隐身套的设计。
3、开口隐身套及其一般设计方法
在此之前，人们研究的主要内容是封闭隐身套，这类隐身套虽然隐身性能完美，但在工程中并不实用。因为多数隐身物体都不允许被完全封闭，尤其对于飞行器，运动过程中需要与外界进行物质、能量以及信息的交换，必然要求隐身套具有相应的开口。所以，研究开口隐身套的设计与构建方法是超材料隐身技术实现工程化应用的必然要求。
本文提出了开口隐身套的概念，并基于背景参数替代的思想建立了一般设计原则和方法。首先，根据开口中心位置选择坐标变换的基点，使其位于隐身套的外表面以保证该基点处的套层厚度足够薄。其次，合理选择等位置面和轨迹线的大小、形状及位置，使其对应的拓扑变换在基点及其邻域内。最后，通过坐标变换法求解开口隐身套的参数。按上述方法求得的参数值在基点附近与背景介质非常接近，因此，可以在基点及其邻域内建立开口，用背景介质的材料参数来代替隐身套开口处的材料参数，从而构建出开口隐身套。采用本方法设计的开口隐身套，既可以最大限度地保证超材料隐身套的性能，又能够通过开口与外界进行物质、能量以及信息的交换，实现超材料隐身套在飞行器上的应用。
主要创新点：首次提出了开口隐身套的概念，并建立了开口隐身套设计的一般原则和方法，突破了封闭隐身套无法应用于飞行器隐身的难题，推动了隐身套在军事工程中的实用化进程。
4、超材料波形控制器的设计方法
超材料波形控制器主要通过超材料的奇异特性来实现，可以克服同类传统器件的像散和色差等缺陷，性能完美。对超材料波形控制器的研究始于2006年超材料概念和变换光学方法的结合，尚无系统的设计理论和成熟的设计方法。
本文基于Maxwell方程的形式不变性及坐标变换理论，建立了超材料波形控制器设计的一般理论，提出了波形保持媒质、光子漏斗等新型功能器件及相应的设计方法，探讨了这些器件在能量传输与集中、波束压缩与准直、相位变换与控制等方面的应用。波形保持媒质能够实现非平面波能量的定向传播；光子漏斗具有完美的压缩能力，在实现任意压缩比的同时，能够保持压缩前后波形不变。
主要创新点：建立了超材料波形控制器设计的一般理论，提出了波形保持媒质、光子漏斗等概念并设计了新型功能器件。这些器件在高指向性天线、波形适配器、高功率微波武器、半导体阵列激光器等领域具有重要的应用价值。
5、左/右手介质弯曲界面上表面波的激励条件和存在模式
左/右手介质界面上表面波的激励条件和存在模式等问题是近年来学术界的研究热点，对于实现弱波检测、亚波长传输等功能的表面波器件具有非常重要的意义。
本文立足于解决左/右手介质界面的参数配置及表面波激励条件等基本问题，得到了一般的材料参数约束条件和圆柱界面上表面波的本征方程。基于表面波等离子激元的模式特征，研究了左/右手介质弯曲界面上左手或右手表面波的存在形式，建立了相应的材料参数约束方程，并通过数值仿真验证了其正确性。利用圆柱界面上的电磁场连续性条件，得到了左/右手介质圆柱界面上表面电磁波的本征模式。研究表明，合理设计界面尺寸以及两侧材料的参数，可以在界面上激励并传输特定模式的左手或右手表面电磁波。基于左手或右手表面电磁波机制，可以设计出全介质型弱波探测器，用以探测对金属过于敏感的环境中的微弱电磁场；也可以设计出表面电磁波弯曲波导，用以传输由近场携带的信息。本文的讨论基于一维情形，但其结论可以自然地推广到二维情形。
主要创新点：建立了左/右手介质弯曲界面上材料参数的约束方程, 得到了左/右手圆柱界面上表面电磁波的本征模式，为开发左/右手界面波导、弱波探测器等新型表面波器件奠定了理论基础。
6、超材料及超材料隐身套的实验验证
本文提出了设计电超材料和磁超材料的“镜像对称”原理，设计了多种新型超材料结构。基于构建隐身套的需要，制备了若干类超材料样品并测试了其电磁性能，实验结果达到了预期目标。
提出了TE模式下圆柱隐身套的实验方案，采用电路板蚀刻技术构建了圆柱隐身套样件。实验结果表明，工作频率为9GHz时，入射波在圆柱隐身套的控制下绕过了铜柱，具有完美的隐身效果，从而验证了超材料隐身技术的可行性。
在后续研究中，针对军事应用的需求，在总装预研“十一五”规划项目（隐身套设计与机理研究，51310060102）的资助下，应用本文提出的任意形状隐身套设计理论，进行了六棱柱完美隐身套试验；基于左/右手介质界面波导理论，首次提出了表面波传导型准完美隐身套技术方案并完成了原理性验证试验。试验的测试频段均为X波段。六棱柱完美隐身套试验结果为：RCS降低5.0dB，3dB带宽达5.0%，在10.25GHz的透过系数与空气相等，表明该样件在设计频带内可以实现完美隐身。表面波传导型隐身套试验结果为：正六棱柱套（边长30mm）RCS降低6.3dB，5dB带宽达5.0%；圆柱套（半径30mm）RCS降低11.4dB，5dB带宽达8.0%；圆柱套（半径50mm）RCS降低10.6dB，5dB带宽达10.5%。试验结果表明：表面波传导型隐身套具有套壁薄（小于1mm）、易实现、频带宽、易扩展到低频等特点，可应用于新一代战机、空天飞行器、导弹等，可望成为未来军事装备隐身的重要手段。上述研究成果已通过了总装预研“十一五”规划项目的验收，为实现超材料隐身套技术在军事领域的应用奠定了坚实的实验基础。
今年的全国百篇优秀博士论文。
http://www.cdgdc.edu.cn/xwyyjsjyxx/sy/syzhxw/274025.shtml
第6节实验介绍有点意思。


超材料是指某些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是近年来国际学术界的研究热点和前沿。超材料不单是一种材料形态，也代表一种新的材料设计理念，给人们在世界观和方法论上带来革命性的改变。借助于超材料的超常物理性质，可以实现具有某种奇异功能或者比同类传统器件在性能上更加优越的新型功能器件，在隐身技术、电子对抗、雷达成像、微波技术等领域具有重要的应用价值。超材料以及超材料隐身技术分别于2003年、2006年被《Science》杂志评为年度十大科学进展之一，美国等西方国家将其列为具有战略意义的科学问题和关键技术进行研究。
本文立足于超材料及功能器件这一国际研究热点，以超材料隐身套及新型功能器件在军事上的应用需求为背景，在国家自然科学基金重点项目(左手材料的设计、制备和物理效应研究，50632030)及面上项目（基于电畴与磁畴共振特性的左手复合材料的研究，10474077；基于电谐振器与磁谐振器的陶瓷基左手材料的研究，60871027）、“863”探索基金（超材料隐身技术探索研究，2005AA000200）、总装探索研究项目（具有奇异特性的左手材料，7130503）等的资助下，围绕超材料隐身套和新型功能器件的物理机制、设计原理和方法等关键科学问题进行了深入的理论研究、计算仿真和实验验证，特别在弱对称形状隐身套、开口隐身套、波形保持媒质和左右手界面波导等方面进行了开创性研究，取得了突出的学术成果。主要研究内容和创新点如下：


超材料隐身套参数设计的解析理论
2006年，英国物理学家Pendry等人在《Science》上撰文，提出了用超材料套实现完美隐身的思想并建立了Pendry公式。Pendry公式只适用于设计真空背景中的隐身套，且当时Pendry只导出了圆柱体和球体两类简单形状的隐身套参数方程。因此，研究复杂背景中、具有弱对称性或非对称性形状隐身套的设计问题，成为超材料隐身套技术实用化的必然要求。
本文运用坐标变换理论，提出了适用于各种背景介质类型的隐身套参数设计方法，得到了Pendry公式的一般形式。采用线域压缩形式，建立了椭圆柱、旋转椭球、棱柱等规则形状隐身套参数方程，并将其推广到同类形状声波隐身套的设计上。同时，基于物理上实现隐身套的需要，研究了柱体隐身套参数方程的简化方法，分别在TE和TM模式下得到了椭圆柱隐身套参数方程的简化形式。这些工作为采用简单模型的组合来构建复杂形状隐身套奠定了基础。
主要创新点：首次建立了椭圆柱、旋转椭球等规则形状以及适用于各种背景介质类型的隐身套参数方程，突破了原有隐身套设计仅有圆柱、球体两类对称模型的限制，解决了弱对称形状隐身套设计的难题，为用简单模型组合来构建复杂隐身套奠定了重要的理论基础。
2、复杂形状隐身套参数设计的数值理论
隐身套参数设计的基础是坐标变换理论，在实施空间拓扑变换时必须明确变换点之间的坐标对应关系。不规则或复杂形状物体通常很难用解析方法描述其几何特征，难以建立变换点坐标之间的解析关系，这对于设计具有实际应用价值的复杂形状隐身套是一个极大的难题。因此，必须建立任意形状隐身套参数设计的近似方法和数值理论。
本文采用拓扑变换理论，研究了任意形状隐身套参数设计的理论与方法。首先，基于同胚拓扑思想，提出了等位置面和轨迹线的概念，并以之描述空间压缩变换。在此基础上，提出了将任意形状隐身物体近似为多面体的设计思路，将等位置面和轨迹线分别简化为平面和直线，克服了复杂形状难以解析描述的困难。最后，基于同胚映射和多面体近似的思想，建立了复杂形状隐身套参数设计的数值理论。
主要创新点：将同胚拓扑理论应用于隐身套设计领域，建立了任意形状隐身套设计的近似方法和数值理论，为实现复杂形状封闭隐身套的工程化设计奠定了基础。该思想和方法也可推广应用于声波隐身套的设计。
3、开口隐身套及其一般设计方法
在此之前，人们研究的主要内容是封闭隐身套，这类隐身套虽然隐身性能完美，但在工程中并不实用。因为多数隐身物体都不允许被完全封闭，尤其对于飞行器，运动过程中需要与外界进行物质、能量以及信息的交换，必然要求隐身套具有相应的开口。所以，研究开口隐身套的设计与构建方法是超材料隐身技术实现工程化应用的必然要求。
本文提出了开口隐身套的概念，并基于背景参数替代的思想建立了一般设计原则和方法。首先，根据开口中心位置选择坐标变换的基点，使其位于隐身套的外表面以保证该基点处的套层厚度足够薄。其次，合理选择等位置面和轨迹线的大小、形状及位置，使其对应的拓扑变换在基点及其邻域内。最后，通过坐标变换法求解开口隐身套的参数。按上述方法求得的参数值在基点附近与背景介质非常接近，因此，可以在基点及其邻域内建立开口，用背景介质的材料参数来代替隐身套开口处的材料参数，从而构建出开口隐身套。采用本方法设计的开口隐身套，既可以最大限度地保证超材料隐身套的性能，又能够通过开口与外界进行物质、能量以及信息的交换，实现超材料隐身套在飞行器上的应用。
主要创新点：首次提出了开口隐身套的概念，并建立了开口隐身套设计的一般原则和方法，突破了封闭隐身套无法应用于飞行器隐身的难题，推动了隐身套在军事工程中的实用化进程。
4、超材料波形控制器的设计方法
超材料波形控制器主要通过超材料的奇异特性来实现，可以克服同类传统器件的像散和色差等缺陷，性能完美。对超材料波形控制器的研究始于2006年超材料概念和变换光学方法的结合，尚无系统的设计理论和成熟的设计方法。
本文基于Maxwell方程的形式不变性及坐标变换理论，建立了超材料波形控制器设计的一般理论，提出了波形保持媒质、光子漏斗等新型功能器件及相应的设计方法，探讨了这些器件在能量传输与集中、波束压缩与准直、相位变换与控制等方面的应用。波形保持媒质能够实现非平面波能量的定向传播；光子漏斗具有完美的压缩能力，在实现任意压缩比的同时，能够保持压缩前后波形不变。
主要创新点：建立了超材料波形控制器设计的一般理论，提出了波形保持媒质、光子漏斗等概念并设计了新型功能器件。这些器件在高指向性天线、波形适配器、高功率微波武器、半导体阵列激光器等领域具有重要的应用价值。
5、左/右手介质弯曲界面上表面波的激励条件和存在模式
左/右手介质界面上表面波的激励条件和存在模式等问题是近年来学术界的研究热点，对于实现弱波检测、亚波长传输等功能的表面波器件具有非常重要的意义。
本文立足于解决左/右手介质界面的参数配置及表面波激励条件等基本问题，得到了一般的材料参数约束条件和圆柱界面上表面波的本征方程。基于表面波等离子激元的模式特征，研究了左/右手介质弯曲界面上左手或右手表面波的存在形式，建立了相应的材料参数约束方程，并通过数值仿真验证了其正确性。利用圆柱界面上的电磁场连续性条件，得到了左/右手介质圆柱界面上表面电磁波的本征模式。研究表明，合理设计界面尺寸以及两侧材料的参数，可以在界面上激励并传输特定模式的左手或右手表面电磁波。基于左手或右手表面电磁波机制，可以设计出全介质型弱波探测器，用以探测对金属过于敏感的环境中的微弱电磁场；也可以设计出表面电磁波弯曲波导，用以传输由近场携带的信息。本文的讨论基于一维情形，但其结论可以自然地推广到二维情形。
主要创新点：建立了左/右手介质弯曲界面上材料参数的约束方程, 得到了左/右手圆柱界面上表面电磁波的本征模式，为开发左/右手界面波导、弱波探测器等新型表面波器件奠定了理论基础。
6、超材料及超材料隐身套的实验验证
本文提出了设计电超材料和磁超材料的“镜像对称”原理，设计了多种新型超材料结构。基于构建隐身套的需要，制备了若干类超材料样品并测试了其电磁性能，实验结果达到了预期目标。
提出了TE模式下圆柱隐身套的实验方案，采用电路板蚀刻技术构建了圆柱隐身套样件。实验结果表明，工作频率为9GHz时，入射波在圆柱隐身套的控制下绕过了铜柱，具有完美的隐身效果，从而验证了超材料隐身技术的可行性。
在后续研究中，针对军事应用的需求，在总装预研“十一五”规划项目（隐身套设计与机理研究，51310060102）的资助下，应用本文提出的任意形状隐身套设计理论，进行了六棱柱完美隐身套试验；基于左/右手介质界面波导理论，首次提出了表面波传导型准完美隐身套技术方案并完成了原理性验证试验。试验的测试频段均为X波段。六棱柱完美隐身套试验结果为：RCS降低5.0dB，3dB带宽达5.0%，在10.25GHz的透过系数与空气相等，表明该样件在设计频带内可以实现完美隐身。表面波传导型隐身套试验结果为：正六棱柱套（边长30mm）RCS降低6.3dB，5dB带宽达5.0%；圆柱套（半径30mm）RCS降低11.4dB，5dB带宽达8.0%；圆柱套（半径50mm）RCS降低10.6dB，5dB带宽达10.5%。试验结果表明：表面波传导型隐身套具有套壁薄（小于1mm）、易实现、频带宽、易扩展到低频等特点，可应用于新一代战机、空天飞行器、导弹等，可望成为未来军事装备隐身的重要手段。上述研究成果已通过了总装预研“十一五”规划项目的验收，为实现超材料隐身套技术在军事领域的应用奠定了坚实的实验基础。