[发明专利]一种宽带磁隐身罩的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于金属探测及安全检测领域，尤其涉及一种宽带磁隐身罩的设计方法，基于金属和磁性材料的特异结构实现三维宽带磁性隐身效果。

背景技术

随着电磁学和材料科学的发展以及社会的需要，“隐身衣”这项技术也一直吸引着大家的研究热情并蓬勃发展起来。在可见光波段的隐身技术的实现如同科幻小说里的魔法效果一般炫酷，而在红外波段和微波段实现隐身效果在国防安全等领域也有着巨大的价值。目前绝大多数理论设计和实验验证的隐身装置都是基于变化光学这种设计方法，通过一系列不同电磁特性的空间分布的结构和介质来实现隐身效果。然而，它们中的大多数都存在着某些局限性，如入射的电磁波的频率，入射角度或者偏振状态。在高频波段，为了实现这些结构所使用的昂贵和复杂的加工工艺也使得这些设计距离实际应用依然遥远，制造和普及真正实用的“隐身衣”任重而道远。

另一方面，现代社会中基于静磁场和低频磁场的检测技术在安全和探测领域有着广泛的应用，如在一些重要场所的安全检测，矿产和考古探测以及军事排雷等等，所以在静场或者低频电磁场条件下实现隐身也有着极其重要的应用价值。基于以上需求，由于超导材料的磁导率在低温条件下为零，一系列基于超导材料在静磁场和低频磁场实现磁性隐身效果的设计被提出，但是这种设计方法在实际应用中有一定的局限性，因为由于需要使用超导体，所以在使用过程中，必须使用低温装置来使超导材料温度在其超导临界点以下。我们通过使用金属材料来替代超导材料，我们首次在室温下实现了三维低频宽带的磁性隐身效果，为室温下实现磁性隐身效果提供了有效的解决方法，让隐身技术在实用化上获得实质性突破。

发明内容

本发明的目的是针对目前低频磁场隐身技术的不足，提供了一种宽带磁隐身罩的设计方法，基于金属和磁性材料的特异结构实现三维宽带磁性隐身效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

步骤(1).在设计金属和磁性材料的复合结构来实现隐身效果的时候，我们首先需要对金属壳和磁性外壳对外加磁场的响应进行分析，但是因为其理论计算过于复杂，而基于超导材料和金属在这里的作用有一定的相似性，所以我们首先通过对基于超导材料的静磁场下的隐身衣进行理论的设计。在静磁场下，磁场的分布可以表示为磁标势的梯度，而磁标势可以通过拉普拉斯方程来求解，即：

其中H是静磁场强度，是磁标势，μ是不同介质中的磁导率。在超导材料型的隐身设计中，主要理念是在超导材料球外覆盖上一层特定厚度和磁导率的磁性外壳。如果在超导球内挖出一些空气腔室，由于超导材料的存在，外加磁场不能进入超导材料内部，所以此时我们可以在其中隐藏一些金属和磁性材料而不被外加磁场探测。

我们设超导材料内空气腔为球状且半径为R₁，超导球的外半径为R₂，磁性壳的外半径为R₃。通过方程1和2，我们能够得到在球坐标系下拉普拉斯方程的一般性的解，即

其中为i＝1，2，3分别代表在空气，磁性材料和超导中。P_n(cosθ)是第n阶次的勒让德方程，r是球坐标的半径，而和是待求解的系数。如果想要实现隐身效果，也就是需要考虑外加均匀磁场照射到结构上，且该结构没有引起散射等干扰，此时我们根据一系列边界条件计算得到磁性材料的磁导率μ_FM和结构参数之间的关系，即

虽然此时得到的设计参数只是针对超导材料在静磁场情况下的设计，但是在低频情况下(电磁波波长远远大于结构)，即准静态时，我们仍然可以用公式4来进行近似，而在使用金属壳来代替超导材料进行设计的情形下，由于它们在低频电磁波时的都具有相似的屏蔽效应(超大的电导率)，公式4可以作为初值来对特定频段进行优化设计，这样我们就可以确定在材料的电磁特性参数和结构参数。

步骤(2).通过步骤(1)，我们获得了所需的材料电磁特性参数和结构参数的初值，此时可以通过商业电磁软件COMSOL来进一步的优化结构和材料参数。主要针对不同应用场景对隐身装置的大小，重量和探测装置的探测频率等要求不同，在所需要隐身的频段对结构的金属外壳厚度，磁性外壳厚度和磁导率来进行优化设计，获得理想的设计参数和隐身效果: