电磁隐身斗篷的应用探究
摘要：隐身斗篷是由硅纳米材料制作而成的，这种特殊材料可以吸收或折射大部分光线，从而达到隐身的效果。通过减少目标的散射截面来降低目标的可探测性，这种方式称之为电磁隐身。电磁隐身斗篷在生活和军事上有着广泛且及其重要的应用。在现代战争中，电磁隐身斗篷可以大大地提高武器装备的生存能力和突防能力，有着重大的战略意义。在2006年，英国物理学家Pendry等人提出了一种新型的电磁隐身机制——电磁隐身斗篷。这种机制突破了传统隐身技术的设计思路，使得“完全隐身”成为可能。首先介绍了电磁隐身斗篷的简要发展历程，从传统隐身斗篷到电磁隐身斗篷，以及介绍了几种不同的电磁隐身斗篷。从原理入手，最后从生活和军事上阐述电磁隐身斗篷的应用。
关键词：电磁隐身斗篷； 电磁材料；
一、文献综述
在传统的隐身技术中，通常只能降低目标在特定方向，一般来说是后散射方向上的散射截面，且这种降低往往以其他方向上散射截面的增加或改变为代价。也就是说，在传统的隐身技术中，目标对入射电磁波均会产生无法消除的扰动。从而引起不同程度的散射和阴影效应，进而导致目标可能被各种主被动探测设备发现。所以严格意义上传统的电磁隐身只能是在一定条件下实现“低可探测性”，无法实现真正意义上的完全隐身。研究电磁隐身斗篷的原理与应用有助于打破传统的桎梏，将其上升到一个新的层面，这对于国防军事的应用与发展有着极为重大的意义。
隐身斗篷最先是在2006年由pendry提出的，后经scheig在实验室验证和实现，从这以后隐身斗篷成为国际上电磁超材料的应用研究的一个热点方向。隐身斗篷在最先被提出的是基于电磁超材料设计的一种隐身技术，这种技术是科学家们由弯曲时空所得到的启发，通过设计一种包覆物体的超材料单元和结构，从而去控制电磁波在超材料中的传播，实现物体的“完美隐身” ，这种隐身现象可以形象地描述为流水流经一块圆形石头，遇到阻挡后水流分开了，然后再在石头的后边汇聚，最后继续沿原来的方向向前流动。不同于传统上的外形、材料等隐身技术，隐身斗篷技术是在目标的周围包覆着一层超材料斗篷以便去控制电磁波的传播方向，在入射电磁波方向使物体没有回波，因而无法被探测到。隐身斗篷技术在理论上可以实现完全隐身，无论是什么外形、结构以及材料的目标都能被隐身。
隐身斗篷作为一种隐身技术，它与传统的隐身技术相比较，有着明显的区别。传统的隐身技术主要有以下4种。第一是雷达吸波材料技术。雷达吸波材料是最重要的隐身材料之一，它能够吸收雷达波，使其反射波减弱甚至达到不反射雷达波，从而最终起到隐身的目的。例如日本研制出的由电阻抗变换层以及低阻抗谐振层组成的一种宽频带高效吸波涂料，在其中的变换层是由铁氧体和树脂混合组成，谐振层则是由铁氧体导电短纤维以及树脂组成，在1~20吉赫的雷达波段上吸收率可以达20分贝以上。第二叫有源对消技术。有源对消技术利用了相干波的干涉效应，去改变目标的散射分布情况，从而减小在雷达方向上的散射功率密度分布的一种有源隐身技术。第三种隐身技术称作外形隐身技术。外形隐身技术是对隐身技术的针对性的优化设计,目的在于去尽可能避免在雷达探测方向上因为机体结构在威胁方向上产生了强反射点,重点是机翼、机身、尾翼、进气管等强反射点的雷达反射截面积减缩设计，从而降低目标被发现或跟踪的可能行的一种技术。第四个隐身技术是无源对消技术，这种技术区别于有源对消技术，最终也是改变了目标的一个散射分布情况。四种技术中，比较常用且较为有效的是雷达吸波材料技术以及外形隐身技术。雷达吸波材料隐身的基本原理主要是通过隐身材料对雷达波的能量的吸收从而达到隐身效果。而外形隐身技术设计的原理是利用适合的外形设计把雷达波的能量反射到另外的无关紧要的方向上去，因此这样能够减少在雷达散射截面上所带来的威胁。以下图的美国典型的F117A隐身战斗机以及B2隐身战略轰炸机为例，两种战斗机所采用的技术主要是以外形隐身为主，吸波材料作为辅助的一种隐身设计方案，如图一、图二所示。但却存在着一些缺陷，这些传统的隐身技术通常都是以增加或者改变其他方向上的散射截面为代价。换种方式表达，即在传统的隐身技术中，目标物体对于电磁波所产生的扰动是无法彻底消除的，这样的结果会造成不同程度上的阴影和散射效应，从而导致目标物体被各种主动亦或是被动探测设备发现的可能性增大，因此科学家们希望寻找到一种新的隐身方式去接近或者实现完美隐身。
电磁隐身斗篷的基本思路是基于Maxwell方程组在各种不同空间下的形式不变性。隐身斗篷的基本理论依据是变化光学理论,中国科学院电子学研究所李芳对这方面解释的较简明易懂，其基本思路是基于Maxwell方程组在不同空间下的形式不变性，将虚拟空间中的一个实心区域压缩变换到物理空间（现实空间)中的一个空心区域，该空心区域具有特定的各向异性非均匀介电常数和磁导率，就是要设计的隐身斗篷。近年来，变换光学理论(Transformation Optics)和人工电磁材料设计的进展为完全隐身的实现提供了一种设计思路——电磁隐身斗篷(invisibility electromagnetic cloaks)。其基本思路是基于Maxwell方程组在不同空间下的形式不变性，将虚拟空间中的一个实心区域压缩变换到物理空间(现实空间)中的一个空心区域，该空心区域具有特定的各向异性非均匀介电常数和磁导率，就是要设计的隐身斗篷。
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