[发明专利]一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷

说明书

本发明涉及一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，采用多层柱状结构，其中核心为PEC电导体圆柱，电导体圆柱外周交替的包裹两种材料，一种为相对电磁参数为1的自由空间，另一种为介电常数较大的硅材料。优化多层结构中这两种材料的厚度使得散射截面取最小值。此时，散射截面是一个关于各层外半径的函数，采用遗传算法进行全局优化，最终可以得到最小的散射截面。本发明具有电磁参数简单、易于实现的优点，并且该斗篷可以实现在背景材料中的隐身，拓宽了隐身斗篷的应用场合。

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，具体涉及一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷。

背景技术

2006年，英国物理学家J.B.Pendry提出了变换光学理论，该理论是基于麦克斯韦方程在坐标变换中的协变性获得的，通过空间坐标变换来反演材料的电容率和磁导率等电磁参量，从而根据这些电磁参量来设计出某些具有特殊功能的电磁器件。变换光学理论可以用来自由地控制电磁波的传播，其中最重要的应用是隐身斗蓬。隐身斗篷指的是：将待隐身物体外包裹某种特殊的材料后，光线能够在该包裹材料中弯曲前进并在出射时回到原来方向的延长线上，而且在包裹材料表面不存在反射，那么这种包裹材料就称之为隐身斗篷。由变换光学理论得到的隐身斗蓬的电磁参数是各向异性非均匀的材料，并且是带有磁性的，实际制作起来非常困难，特别是光波段的隐身斗篷更难实现，因为光波段的材料通常是非磁性的。

另一种实现隐身的方法是基于Alù和Engheta提出的散射相消原理，通过在小尺寸物体外包裹一层或两层电磁参数为负的或小于1的各向同性材料后，能够大大减少物体的电磁散射。该原理通常只适用于隐身物体的尺寸远小于电磁波波长的情况，并且电磁参数小于1的包裹材料通常带有严重的损耗，这会大大降低隐身的效果。

2011年，余振中等人提出了采用多层各向同性材料实现自由空间(真空或空气)中的多层结构隐身斗篷的优化设计，研究发现要实现自由空间中的隐身必须要采用介电常数小于1的材料。由于该材料的电磁损耗，2016年余振中等人又提出了采用增益材料来补偿损耗的优化方法，取得了比较好的隐身效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷的优化设计方法，将隐身斗篷应用到相对介电常数大于1的背景材料中，并采用常见的硅材料，采用遗传算法优化硅材料的厚度使得电磁散射最小，从而实现隐身。本发明大大简化了隐身斗篷难以实现的问题，并拓宽了隐身斗篷的应用场合。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，采用多层柱状结构，其中核心为PEC电导体圆柱，电导体圆柱外周交替的包裹两种材料，分别为材料A和材料B；材料A的相对电磁参数为1，材料B为硅材料；多层柱状结构半径由内而外分别为r₁，r₂，……，r_N；介质背景材料的相对电磁参数为ε_d和μ_d；

柱状结构物体在圆柱坐标系(r,θ)中的散射场表示为散射系数和圆柱贝塞尔函数乘积的级数和，当入射波为TM^z波，即磁场只有z分量时，散射场中磁场的z分量为：

其中，为n阶汉克尔函数，c_n为散射系数,e为自然指数，代表介质背景材料中的波数，ε_d和μ_d分别为背景材料的相对介电常数和相对磁导率，ω为角频率，v为真空中的光速；对于该多层柱状结构，由电磁场满足相应的连续边界条件，计算得到散射系数c_n；

则该多层柱状结构的总散射截面为：

为了便于比较不同物体间的散射强弱，引入归一化散射截面的概念，即将总散射截面除以4/k_d，则归一化散射截面为：