基于新型人工电磁材料的隐身功能器件研究

论文摘要

近年来,隐身技术一直是各国学者探讨研究的热门课题,与传统的视觉隐身不同,电磁隐身是根据人工设计而实现的科学隐形。此外,新型人工电磁材料提供了一种全新的调控电磁波的手段和方法,其飞速发展也为电磁隐身的进一步探索和研究创造了新的条件。目前,利用人工电磁材料调控电磁波实现隐身的方法,从所调控波的类型可分为对入射波、散射波的调控。调控入射波实现隐身的方法,主要是通过设计电磁吸波结构使其完成对入射波的吸收,而散射波的调控则主要是通过设计包裹在目标外的覆层来实现的。基于这两种隐身思路,完美吸波体、基于光学变换和散射相消理论的隐身斗篷等一系列隐身功能器件应运而生。完美吸波体就是要设计与自由空间波阻抗完美匹配的吸波结构,即入射波无反射地进入吸波体中,通过吸波结构的损耗特性将电磁波完全损耗掉而实现对入射电磁波的完美吸收。基于光学变换原理的隐身功能器件,是利用坐标变换前后麦克斯韦方程组形式保持不变的特点来构建空间映射以引导电磁波绕过被隐身目标而实现隐身。尽管坐标变换设计的斗篷可以使形状、尺寸任意的目标实现真正意义上的完美隐身,但斗篷的材料参数随着空间位置的变化而变化,因此工程验证的难度较大。另一方面,基于散射相消技术的隐身装置则是通过在目标外面添加人工设计的具有特定电磁参数的功能覆层来抵消目标的散射,从而降低目标整体的散射。这种装置因为具有各向同性且均匀的材料性质而相对容易物理实现。根据上述思路,国内外各研究小组在相关的理论发展和实验验证方面展开了大量的研究,各种各样的隐身功能器件也被相继设计出来。基于上述背景及概念,本论文简单介绍了完美吸波、光学变换以及散射相消等隐身技术的研究背景和国内外研究现状,并详细介绍了三种技术的基本理论及相关应用。最后,分别从调控入射、散射波两个角度研究了宽带透明吸波结构以及基于散射相消原理的不同形状隐身功能器件的设计和验证,具体包括以下几个方面:1.在有透光率要求场合的应用背景下,基于电磁吸波机理研究了宽带透明吸波器件的设计方法。采用氧化铟锡的蚀刻结构设计了相对带宽为118.1%的宽带透明吸波结构,该吸波体工作在3.87~15.03GHz,覆盖了全部C、X波段和部分S、Ku波段。采用有限元软件HFSS对上述结构的吸波效果进行仿真验证,并分析了对应的吸波原理及结构参数的敏感性。对设计的吸波结构进行了加工测量,实测结果与仿真结果吻合良好。此外,由于结构具有对称性,因此吸波结构对入射波极化和入射角度不敏感。2.对于由均匀各向同性材料构成的多层非均匀柱、球形目标,根据散射相消理论设计功能覆层使其产生与幻觉目标相同的散射场分布,利用Mie级数理论分别分析添加覆层的目标和相应幻觉目标的电磁散射特性,最后根据二者散射场相等推导出约束功能覆层电磁参数、几何参数的解析公式,提出针对非均匀各向同性柱、球等目标的隐身(幻觉)设计方法。3.研究薄材料层与等效阻抗表面之间的联系,给出等效表面的表面阻抗表达式,即表面过渡条件;在典型规则目标和任意形状目标功能覆层设计的基础上,提出用表面代替具有一定厚度的壳层,根据表面过渡条件将功能壳层体电磁参数转换为阻抗表面参数,进而提出由等离子体隐身斗篷到表面隐身斗篷的过渡设计方法。4.将非均匀各向同性典型目标的隐身设计方法拓展到更一般的非均匀各向异性目标,推导归纳出相应覆层的媒质参数公式,提出针对非均匀各向异性典型目标的隐身设计方法。此外,为了使设计的覆层产生最优隐身、幻觉效果,分析覆层设计中决定性能的可变参数,建立相关的优化函数,进一步提出隐身、幻觉功能最优化方案。5.采用离散偶极子近似方法,用一系列相互作用的偶极子来模拟三维任意形状目标,考虑其在平面波入射情况下的电磁散射,将三维任意形状目标与入射波的相互作用归纳为一个矩阵方程,从而目标的电磁性质、几何性质可以通过矩阵方程中的相互作用矩阵表征。结合特征模理论,对上述相互作用矩阵进行本征分析,给出任意形状目标雷达散射截面与相互作用矩阵广义本征值之间的解析关系,进而提出利用本征值调控电磁散射的概念和具体方法。6.基于散射相消技术,结合本征值调控电磁散射的方法在典型目标隐身覆层设计的基础上提出针对三维任意形状目标的隐身方法。推导出约束任意形状目标功能覆层电磁参数的解析公式,并对任意形状的隐身(幻觉)装置进行仿真分析,验证所提方法的正确性和可行性。7.在利用本征值调控电磁波实现电磁隐身的研究基础上,研究静态情况下三维任意形状目标的电、热分布,并将热传导方程与导电方程统一起来提出能同时对电、热隐身的双功能隐身器件,推导出约束任意形状目标双功能覆层材料参数的解析公式。此外,针对设计中采用的近似方法提出相应的双功能最优化方案。

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摘要

ABSTRACT

符号对照表

缩略语对照表

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 传统隐身技术

1.1.2 新型人工电磁材料的发展

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电磁吸波隐身技术

1.2.2 基于光学变换的隐身技术

1.2.3 基于散射相消的隐身技术

1.3 本文主要工作及内容安排

第二章宽带透明吸波器件

2.1 引言

2.2 吸波机理

2.2.1 阻抗匹配

2.2.2 电磁损耗

2.3 透明吸波结构

2.3.1 单元结构设计

2.3.2 参数分析

2.4 吸波原理分析

2.4.1 表面电流

2.4.2 阻抗特性

2.4.3 损耗特性

2.5 实验验证

2.6 本章小结

第三章非均匀各向同性目标的体、面隐身设计

3.1 引言

3.2 非均匀各向同性柱形目标的隐身设计

3.2.1 隐身壳层设计原理

3.2.2 隐身壳层设计实例

3.3 均匀各向同性柱形目标的隐身表面设计

3.3.1 隐身表面设计原理

3.3.2 隐身表面设计实例

3.4 非均匀各向同性球形目标的隐身设计

3.4.1 隐身设计原理

3.4.2 设计实例

3.5 本章小结

第四章非均匀各向异性目标的最优隐身设计

4.1 引言

4.2 非均匀各向异性球形目标隐身设计

4.2.1 各向异性介质中球面波展开

4.2.2 设计原理

4.3 非均匀各向异性柱形目标隐身设计

4.4 功能最优化

4.5 设计实例

4.5.1 非均匀各向异性球形目标的隐身斗篷

4.5.2 非均匀各向异性柱形目标的隐身斗篷

4.6 本章小结

第五章任意形状目标隐身设计

5.1 引言

5.2 离散偶极子近似

5.2.1 离散偶极子近似研究现状

5.2.2 离散偶极子近似基本理论

5.3 特征模理论

5.3.1 特征模研究现状

5.3.2 特征模基本理论

5.4 任意形状目标隐身设计原理

5.5 数值实例

5.6 本章小结

第六章多功能电热隐身设计

6.1 引言

6.2 电热双功能隐身研究现状

6.3 设计原理

6.3.1 热电问题的离散偶极子近似方法

6.3.2 热电问题的本征分析

6.3.3 热电双功能斗篷设计原理

6.4 双功能优化

6.5 数值实例

6.6 本章小结

第七章总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张琳

导师: 史琰

关键词: 新型人工电磁材料,电磁隐身,透明吸波,散射相消,幻觉,任意形状目标

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 西安电子科技大学

分类号: O441

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000066

总页数: 166

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