基于电磁超材料的超散射体的设计

康丽萍 马占立

（河北省机电工程技师学院汽车与测量工程系）

0 引言

超颖材料（简称超材料）是本文的重点研究对象，而其中有关于电磁方面的超材料更是研究的重点。超材料简单来说是指在自然界不存在的一种物质材料，其性能是由人工定义的。迄今为止，我们所见到的材料大部分都是在自然界材料自身性质的基础上对其进行改变和优化来满足人们的需求，可是随之科技的进步和人们生活水平的提高，单纯的自然界材料已经无法满足我们的需求，需要一种可以由自己定义的新材料，而超材料就由此而来。专门应用于电磁领域的又称为电磁超材料［1-5］。

1 研究背景

1.1 超材料

超材料的制备是一个非常复杂而且庞大的体系，它包括了电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等，并且超材料的出现正在将材料制备领域推向一个前所未有的高度［6-8］。不同于以往的自然界的材料制备，超材料可以使得人们针对自己的领域去制作自己所需要的材料。而本文主要想利用超材料应用于电磁领域，使得电磁材料的性质可以由自己制定［9-12］。

1.2 超散射体

超散射体的主要原理就是利用超材料的负相对介电常数和负相对磁导率，再加上补偿介质理论，来达到光路的改变进而使得物体的散射面积增大。利用超材料的真空补偿性，就可以放大实际物体的散射面积，以至于达到要放大物体的目标。

超散射体的提出，不仅仅是使物体放大这么简单，比如超散射体在电磁波检测中是被放大的，但是实际中的物体还是同样的大小，这就使得电磁场中的物体会穿不过一定大小的出口，而实际的物体却依然可以进出自由。这其实也为后面介绍的隐身斗篷提供了一种内外部沟通的方法。

2 理论基础

2.1 超材料制备

起初科技水平不是很发达，因此超材料的制备只是停留在了理论层面上，实际操作中却困难重重，这就导致了理论研究与实际研究不相符。对超材料的研究当时只能从左手材料入手，而自然界也不存在这种材料，所以当时只能进行最简单的建模，因此在实际中将负的电磁参数展现出来是当时最重要的事情。

在实现了介电常数的负值之后，Pendry等人又提出了一种可以实现负磁导率的方法。首先用两个金属爆破重叠在一起，然后将多个由两个金属环重叠在一起形成的单位组合排列到一起，构成了一组排列有序的金属环。而其中每个重叠在一起的金属环都会构成一个金属谐振环。再施加特定的频率就可以实现将材料的磁导率变成负值。

2.2 电磁器件

可以通过上述的制备超材料的思想来设计出许多不同功能的电磁超材料器件，他们将会在电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等领域发挥重要作用。

例如隐身衣，Pendry等人在提出变换光学理论的时候，便介绍了一种在三维空间实现隐身的方法：物体如果不反射光线，那么就不会被人们看见，他们也正是利用了这一点，如果让光线绕过物体传播，那么就可以实现物体的隐身。随后，Schurig等人优化了隐身衣，使得隐身衣在TE（Transverse Electromagnetic）波的入射下也可以实现隐身的效果。但是这两种隐身衣只能简单的减少散射面积，不能做到完美的隐身，而随后的研究都在逐步完善隐身衣的研究。

超材料不仅仅在隐身衣上发挥着重要的作用，同时在吸波领域也产生了很大的影响。

3 应用

3.1 超散射体的设计

隐身衣的理念是利用超材料的特殊性质使光路改变原本的传播方向，让光路绕开物体传播，这样就可以使得在电场中是看不到物体的。那么是不是也可以同样利用超材料来改变光路的传播路径来实现放大物体的作用。而作为一种新型的电磁器件，超散射体主要就是利用了超材料可以改变光路的性质，让被包裹的物体的散射截面放大，这样就达到了在电场中放大物体的效果。

在电磁参数计算正确的情况下，超材料可以通过实现物体散射面积的放大进而试下物体在虚拟空间中的放大，这种被包裹的物体称为超散射体。无论在什么频率下，超散射体和目标柱体的电场分布图在目标柱体的外围都是一样的。这就证明了超散射体可以实现物体的放大，这一特性也在生活中有着很重要的作用。

可是在实际中不可能给物体包裹很厚的一层超材料来达到实验目的，第一不符合放大的理念；第二不符合实际中的经济情况，因为超材料都是人工制备的，所以成本较高，大批量的使用反而收益减小。因此在后续中可以考虑将包裹层减少，来达到实验目的。

3.2 隐身衣

如果超散射体可以使物体散射截面扩大来达到放大物体的效果，那么同样，如果让光线绕过物体传播的话，这样观测者就看不到物体，理论上就可以实现物体的隐身。但是这里的隐身并不是指人肉眼看不见的隐身。这里的隐身是指：将一个物体放在一个场域中，在外面加一层超材料的包裹层。这样最后含有物体的场域和电磁波在真空中传播的场域是基本一样的。

因为三维的情况过于复杂，所以这里像超散射体一样也在二维的情况下，进行隐身衣参数计算及仿真。还是拿一个圆形来作为实际物体，如果想要实现隐身，就需要让光线绕过圆形部分进行传播。

通过观察图像可以发现有隐身斗篷存在的电场分布图像和TE波在真空中传播的电场分布图像相似，所以可以认为通过仿真证明了隐身斗篷的可能性。因为波是从左向右入射的，所以在物体的右侧，电场的分布是不均匀的。可以发现隐身斗篷的整个电场分布图像和TE波在真空中传播的图像是相似的。所以证明了隐身斗篷的隐身性能是良好的。

通过观察可以发现无论频率在取何值的时候，隐身衣都能取到良好的隐身效果。并且在频率较高时也就可以发现，在超材料包裹层中，可以很明显的发现光路的扭曲，光线绕开了实际的物体。

4 优化改进

4.1 减少超材料包裹层厚度

其本质上是将物体进行了等比例的放大。可是考虑到实际情况，无论是从设计理念，还是经济情况，都不允许包裹层很厚，这样既违背了想让物体明显放大本质，同时还违背了经济合理性原则，所以包裹层要尽量的小，来节省空间和材料。

4.2 用均匀的材料来代替超材料

本文上节中将超材料包裹层的厚度减少了，因为超材料的制备在实际中是十分困难的，这样可以节省很多材料同时兼顾经济因素。但是尽管减少了超材料包裹层的厚度，超材料制备的困难性还是没有得到解决。因为自然界中存在的介质和材料都是均匀的并且性质固定，不会出现随着半径的改变电磁参数也随之改变的情况。所以尝试用均匀的材料来代替超材料包裹层，这样就可以在实践中实现超材料的制备。

正如上述所说，自然界的材料都是均匀的并且性质确定的。所以经过考虑后，采取了分层的方法，就是将超材料包裹层分成若干层，然后每层的半径都取中间值来作为本层的电磁参数中的变量r。这样就做到了对一个非均匀且各向异性的超材料包裹层用实际中可以找到或者制备的均匀的材料进行替代。

5 结束语

作为新生的一类材料系统，超材料的研究广泛地开展在光学，微电子学以及通信等领域。由于目前制造水平发展的不足，国内外对于超材料的研究普遍采用理论推导和模拟仿真的方法。

在未来超材料一定会成为在工业，军事等领域的重要材料，因为其独特的性质，可以根据自己的需要来制作相应的超材料。现在关于超材料的最主要的研究包括隐身斗篷、超散射体、超材料透镜、定向天线以及吸波超材料五个方向。而超散射体可以用在飞机的黑匣子上，在黑匣子外围涂上一层包裹层的话，就会使得其散射截面积变大。这就会让其更容易被发现，为营救工作提供了不小的帮助。而且还因为超材料可以实现物体散射面积的放大，可以让实际中比较小的物体被放大。虽然现在因为局限于超材料的制作困难导致对于超材料的研究理论和实际不相平衡，但是随着科技水平的不断提高，超材料在未来定会成为一种不可或缺的材料。