康麗萍 馬占立

（河北省機(jī)電工程技師學(xué)院汽車與測(cè)量工程系）

0 引言

超穎材料（簡(jiǎn)稱超材料）是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象，而其中有關(guān)于電磁方面的超材料更是研究的重點(diǎn)。超材料簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是指在自然界不存在的一種物質(zhì)材料，其性能是由人工定義的。迄今為止，我們所見(jiàn)到的材料大部分都是在自然界材料自身性質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改變和優(yōu)化來(lái)滿足人們的需求，可是隨之科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高，單純的自然界材料已經(jīng)無(wú)法滿足我們的需求，需要一種可以由自己定義的新材料，而超材料就由此而來(lái)。專門應(yīng)用于電磁領(lǐng)域的又稱為電磁超材料［1-5］。

1 研究背景

1.1 超材料

超材料的制備是一個(gè)非常復(fù)雜而且龐大的體系，它包括了電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等，并且超材料的出現(xiàn)正在將材料制備領(lǐng)域推向一個(gè)前所未有的高度［6-8］。不同于以往的自然界的材料制備，超材料可以使得人們針對(duì)自己的領(lǐng)域去制作自己所需要的材料。而本文主要想利用超材料應(yīng)用于電磁領(lǐng)域，使得電磁材料的性質(zhì)可以由自己制定［9-12］。

1.2 超散射體

超散射體的主要原理就是利用超材料的負(fù)相對(duì)介電常數(shù)和負(fù)相對(duì)磁導(dǎo)率，再加上補(bǔ)償介質(zhì)理論，來(lái)達(dá)到光路的改變進(jìn)而使得物體的散射面積增大。利用超材料的真空補(bǔ)償性，就可以放大實(shí)際物體的散射面積，以至于達(dá)到要放大物體的目標(biāo)。

超散射體的提出，不僅僅是使物體放大這么簡(jiǎn)單，比如超散射體在電磁波檢測(cè)中是被放大的，但是實(shí)際中的物體還是同樣的大小，這就使得電磁場(chǎng)中的物體會(huì)穿不過(guò)一定大小的出口，而實(shí)際的物體卻依然可以進(jìn)出自由。這其實(shí)也為后面介紹的隱身斗篷提供了一種內(nèi)外部溝通的方法。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 超材料制備

起初科技水平不是很發(fā)達(dá)，因此超材料的制備只是停留在了理論層面上，實(shí)際操作中卻困難重重，這就導(dǎo)致了理論研究與實(shí)際研究不相符。對(duì)超材料的研究當(dāng)時(shí)只能從左手材料入手，而自然界也不存在這種材料，所以當(dāng)時(shí)只能進(jìn)行最簡(jiǎn)單的建模，因此在實(shí)際中將負(fù)的電磁參數(shù)展現(xiàn)出來(lái)是當(dāng)時(shí)最重要的事情。

在實(shí)現(xiàn)了介電常數(shù)的負(fù)值之后，Pendry等人又提出了一種可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的方法。首先用兩個(gè)金屬爆破重疊在一起，然后將多個(gè)由兩個(gè)金屬環(huán)重疊在一起形成的單位組合排列到一起，構(gòu)成了一組排列有序的金屬環(huán)。而其中每個(gè)重疊在一起的金屬環(huán)都會(huì)構(gòu)成一個(gè)金屬諧振環(huán)。再施加特定的頻率就可以實(shí)現(xiàn)將材料的磁導(dǎo)率變成負(fù)值。

2.2 電磁器件

可以通過(guò)上述的制備超材料的思想來(lái)設(shè)計(jì)出許多不同功能的電磁超材料器件，他們將會(huì)在電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

例如隱身衣，Pendry等人在提出變換光學(xué)理論的時(shí)候，便介紹了一種在三維空間實(shí)現(xiàn)隱身的方法：物體如果不反射光線，那么就不會(huì)被人們看見(jiàn)，他們也正是利用了這一點(diǎn)，如果讓光線繞過(guò)物體傳播，那么就可以實(shí)現(xiàn)物體的隱身。隨后，Schurig等人優(yōu)化了隱身衣，使得隱身衣在TE（Transverse Electromagnetic）波的入射下也可以實(shí)現(xiàn)隱身的效果。但是這兩種隱身衣只能簡(jiǎn)單的減少散射面積，不能做到完美的隱身，而隨后的研究都在逐步完善隱身衣的研究。

超材料不僅僅在隱身衣上發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)在吸波領(lǐng)域也產(chǎn)生了很大的影響。

3 應(yīng)用

3.1 超散射體的設(shè)計(jì)

隱身衣的理念是利用超材料的特殊性質(zhì)使光路改變?cè)镜膫鞑シ较?，讓光路繞開(kāi)物體傳播，這樣就可以使得在電場(chǎng)中是看不到物體的。那么是不是也可以同樣利用超材料來(lái)改變光路的傳播路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)放大物體的作用。而作為一種新型的電磁器件，超散射體主要就是利用了超材料可以改變光路的性質(zhì)，讓被包裹的物體的散射截面放大，這樣就達(dá)到了在電場(chǎng)中放大物體的效果。

在電磁參數(shù)計(jì)算正確的情況下，超材料可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)物體散射面積的放大進(jìn)而試下物體在虛擬空間中的放大，這種被包裹的物體稱為超散射體。無(wú)論在什么頻率下，超散射體和目標(biāo)柱體的電場(chǎng)分布圖在目標(biāo)柱體的外圍都是一樣的。這就證明了超散射體可以實(shí)現(xiàn)物體的放大，這一特性也在生活中有著很重要的作用。

可是在實(shí)際中不可能給物體包裹很厚的一層超材料來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，第一不符合放大的理念；第二不符合?shí)際中的經(jīng)濟(jì)情況，因?yàn)槌牧隙际侨斯ぶ苽涞模猿杀据^高，大批量的使用反而收益減小。因此在后續(xù)中可以考慮將包裹層減少，來(lái)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3.2 隱身衣

如果超散射體可以使物體散射截面擴(kuò)大來(lái)達(dá)到放大物體的效果，那么同樣，如果讓光線繞過(guò)物體傳播的話，這樣觀測(cè)者就看不到物體，理論上就可以實(shí)現(xiàn)物體的隱身。但是這里的隱身并不是指人肉眼看不見(jiàn)的隱身。這里的隱身是指：將一個(gè)物體放在一個(gè)場(chǎng)域中，在外面加一層超材料的包裹層。這樣最后含有物體的場(chǎng)域和電磁波在真空中傳播的場(chǎng)域是基本一樣的。

因?yàn)槿S的情況過(guò)于復(fù)雜，所以這里像超散射體一樣也在二維的情況下，進(jìn)行隱身衣參數(shù)計(jì)算及仿真。還是拿一個(gè)圓形來(lái)作為實(shí)際物體，如果想要實(shí)現(xiàn)隱身，就需要讓光線繞過(guò)圓形部分進(jìn)行傳播。

通過(guò)觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)有隱身斗篷存在的電場(chǎng)分布圖像和TE波在真空中傳播的電場(chǎng)分布圖像相似，所以可以認(rèn)為通過(guò)仿真證明了隱身斗篷的可能性。因?yàn)椴ㄊ菑淖笙蛴胰肷涞模栽谖矬w的右側(cè)，電場(chǎng)的分布是不均勻的。可以發(fā)現(xiàn)隱身斗篷的整個(gè)電場(chǎng)分布圖像和TE波在真空中傳播的圖像是相似的。所以證明了隱身斗篷的隱身性能是良好的。

通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論頻率在取何值的時(shí)候，隱身衣都能取到良好的隱身效果。并且在頻率較高時(shí)也就可以發(fā)現(xiàn)，在超材料包裹層中，可以很明顯的發(fā)現(xiàn)光路的扭曲，光線繞開(kāi)了實(shí)際的物體。

4 優(yōu)化改進(jìn)

4.1 減少超材料包裹層厚度

其本質(zhì)上是將物體進(jìn)行了等比例的放大?？墒强紤]到實(shí)際情況，無(wú)論是從設(shè)計(jì)理念，還是經(jīng)濟(jì)情況，都不允許包裹層很厚，這樣既違背了想讓物體明顯放大本質(zhì)，同時(shí)還違背了經(jīng)濟(jì)合理性原則，所以包裹層要盡量的小，來(lái)節(jié)省空間和材料。

4.2 用均勻的材料來(lái)代替超材料

本文上節(jié)中將超材料包裹層的厚度減少了，因?yàn)槌牧系闹苽湓趯?shí)際中是十分困難的，這樣可以節(jié)省很多材料同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)因素。但是盡管減少了超材料包裹層的厚度，超材料制備的困難性還是沒(méi)有得到解決。因?yàn)樽匀唤缰写嬖诘慕橘|(zhì)和材料都是均勻的并且性質(zhì)固定，不會(huì)出現(xiàn)隨著半徑的改變電磁參數(shù)也隨之改變的情況。所以嘗試用均勻的材料來(lái)代替超材料包裹層，這樣就可以在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)超材料的制備。

正如上述所說(shuō)，自然界的材料都是均勻的并且性質(zhì)確定的。所以經(jīng)過(guò)考慮后，采取了分層的方法，就是將超材料包裹層分成若干層，然后每層的半徑都取中間值來(lái)作為本層的電磁參數(shù)中的變量r。這樣就做到了對(duì)一個(gè)非均勻且各向異性的超材料包裹層用實(shí)際中可以找到或者制備的均勻的材料進(jìn)行替代。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為新生的一類材料系統(tǒng)，超材料的研究廣泛地開(kāi)展在光學(xué)，微電子學(xué)以及通信等領(lǐng)域。由于目前制造水平發(fā)展的不足，國(guó)內(nèi)外對(duì)于超材料的研究普遍采用理論推導(dǎo)和模擬仿真的方法。

在未來(lái)超材料一定會(huì)成為在工業(yè)，軍事等領(lǐng)域的重要材料，因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)，可以根據(jù)自己的需要來(lái)制作相應(yīng)的超材料?，F(xiàn)在關(guān)于超材料的最主要的研究包括隱身斗篷、超散射體、超材料透鏡、定向天線以及吸波超材料五個(gè)方向。而超散射體可以用在飛機(jī)的黑匣子上，在黑匣子外圍涂上一層包裹層的話，就會(huì)使得其散射截面積變大。這就會(huì)讓其更容易被發(fā)現(xiàn)，為營(yíng)救工作提供了不小的幫助。而且還因?yàn)槌牧峡梢詫?shí)現(xiàn)物體散射面積的放大，可以讓實(shí)際中比較小的物體被放大。雖然現(xiàn)在因?yàn)榫窒抻诔牧系闹谱骼щy導(dǎo)致對(duì)于超材料的研究理論和實(shí)際不相平衡，但是隨著科技水平的不斷提高，超材料在未來(lái)定會(huì)成為一種不可或缺的材料。