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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 左手材料及等离子体太赫兹波电磁特性研究 姓名：周涛 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：刘少斌 20090101 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 隐身与反隐身技术是现代备受关注的电子对抗内容之一， 各种隐身和反隐身技术的应用促 进了武器装备突破性的进展。 为研究左手材料在隐身领域中的应用， 太赫兹波作为雷达探测波源实现等离子体反隐身的 可行性，本学位论文用时域有限差分方法研究了左手材料的电磁特性以及等离子体与太赫兹波 的相互作用。 首先，本文从色散介质的本构关系出发，推导了描述左手材料中电磁波特性的时域有限差 分方法，并用该方法数值模
2、拟了电磁波在左手材料中的传播，验证了左手材料平板对入射线源 的聚焦作用。重点计算了有、无左手材料涂敷层的普通导体柱的雷达散射截面，结果表明：左 手材料涂敷层可以在较宽频带内明显缩减目标的雷达散射截面，起到隐身的作用。另外，通过 增加左手材料的等离子体频率、等离子体碰撞频率和涂覆层厚度，均有利于目标雷达散射截面 的缩减，从而增强目标的隐身效果。 其次， 本文用具有较高精度和计算效率的分段线性电流密度递归卷积时域有限差分方法分 析了等离子体与太赫兹波的相互作用，分别计算了太赫兹波在等离子体层中的传播，等离子体 层对电磁波的衰减随电磁波频率变化的关系，以及等离子体覆盖目标在太赫兹波入射时的雷达 散射
3、截面，并与微波段的计算结果进行比较。结果显示：即使等离子体碰撞频率在很大范围变 化，等离子体对太赫兹波的衰减都很小。并且使用太赫兹波作为雷达探测波源，明显削弱了等 离子体涂敷层对目标雷达散射截面的缩减，可以较好地实现等离子体反隐身。 关键词：左手材料，等离子体，太赫兹波，隐身和反隐身，时域有限差分方法 左手材料及等离子体太赫兹波电磁特性研究 II Abstract The technology of stealth and anti-stealth is one of the contents that attract much attention in modern electronic w
4、arfare. The applications of multifarious stealth and anti-stealth technologies have promoted the rapid development of weapons and equipments. In order to discuss the application of the Left-Handed Material (LHM) in stealth field, and the feasibility that using the Terahertz wave as the radar detecti
5、on source could realize the plasma anti-stealth, the Finite Difference Time Domain (FDTD) method is used to research on the electromagnetic characteristics of LHM and the interaction between plasma and Terahertz wave. Firstly, the FDTD method which describes the characters of electromagnetic wave in
6、 LHM is deduced based on the constitutive relations of dispersive medium. The electromagnetic propagation in the LHM slab is simulated with this method. And the effect that the slab can focus the incident monochromatic wave is validated. Besides, the Radar Cross Section (RCS) of a common conduct tar
7、get and the target coated with LHM are computed separately. The research shows that the LHM coat can obviously reduce the RCS of a target within a frequency band. That means the LHM can be used as stealth material. In addition, increasing the plasma frequency, the plasma collision frequency and the
8、thickness of the LHM can enhance the stealth effect respectively. Secondly, the interaction between plasma and Terahertz wave is analyzed in this paper. The method used here is the Piecewise Linear Current Density Recursive Convolution (PLCDRC-FDTD) method which has higher accuracy and efficiency. T
9、he electromagnetic propagation of Terahertz wave in the plasma slab, the attenuation of the incident electromagnetic wave which caused by the unmagnetized plasma, the RCS of the conductor target covered with unmagnitezed plasma when the incident is the Terahertz wave are computed respectively. Compa
10、red with the microwave cases, the results show that the attenuation of Terahertz wave caused by plasma is little even if the plasma collision frequency varies in a wide range. And if the Terahertz wave is used as the Radar detection source, the plasma can reduce only little RCS of the target. As a r
11、esult, the Terahertz wave can achieve a better plasma anti-stealth effect. Key Words: Left-Handed Material, Plasma, Terahertz wave, Stealth and Anti-stealth, Finite-difference Time-domain Method 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图、表清单 图 2.1 左手材料中的电场、磁场和波矢量关系图6 图 2.2 左、右手材料中的反射与折射示意图8 图 2.3 左、右手材料中多普勒效应的比较8 图 2.4 左、右
12、手材料中切伦科夫辐射效应的比较9 图 2.5 实验室制备的左手材料图片10 图 2.6 基于传输线的左手材料模型11 图 3.1 FDTD 计算区域的划分.15 图 3.2 左手材料相对介电常数（磁导率）随频率变化曲线22 图 4.1 电磁波在左手材料中传播计算示意图26 图 4.2 单周期脉冲波形27 图 4.3 不同介质板情况下电场随时间变化情况27 图 4.4 多周期脉冲波形29 图 4.5 不同介质板中两观察点处电场随时间步变化情况29 图 4.6 初始阶段电场波形的比较30 图 4.7 后阶段电场波形的比较30 图 4.8 完美透镜的二次汇聚作用31 图 4.9 左手材料平板成像计算
13、模型32 图 4.10 自由空间中电场分布情况32 图 4.11 折射率 n=-1 时的电场空间分布33 图 4.12 折射率 n=-6 时的电场空间分布33 图 4.13 左手材料覆盖导体目标的电磁波散射计算模型34 图 4.14 左手材料对导体圆柱 RCS 的影响35 图 4.15 左手材料电、磁等离子体频率对隐身效果的影响36 图 4.16 左手材料电、磁等离子体碰撞频率对隐身效果的影响37 图 4.17 左手材料涂敷层厚度对隐身效果的影响38 左手材料及等离子体太赫兹波电磁特性研究 VI 图 5.1 太赫兹波在电磁波谱中的位置示意图40 图 5.2 微波段电磁波在等离子体层中传播43
14、图 5.3 等离子体覆盖导体圆柱的 FDTD 计算示意图44 图 5.4 微波段时等离子体涂敷层对导体圆柱双站 RCS 的影响45 图 5.5 调制高斯脉冲波形46 图 5.6 太赫兹波在等离子体层中传播情况47 图 5.7 等离子体对电磁波衰减的 FDTD 计算示意图48 图 5.8 FDTD 方法计算的等离子体对电磁波双程衰减随频率变化曲线.48 图 5.9 WKB 方法计算的等离子体对电磁波的双程衰减随频率变化曲线.51 图 5.10 FDTD 计算结果与 WKB 计算结果的比较51 图 5.11 中心频点为 700GHz的调制高斯脉冲频域波形52 图 5.12 太赫兹波段时等离子体涂敷
15、层对导体圆柱的单站 RCS 的影响53 图 5.13 等离子体覆盖导体方柱的 FDTD 计算示意图54 图 5.14 太赫兹波段时等离子体涂敷层对导体方柱的单站 RCS 的影响54 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许 论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印
16、、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景及必要性 在当今信息革命和新军事变革的发展态势下，人们对电磁波的了解和掌握程度在不断地加 深，战斗装备的隐身和反隐身都成为当今每个军事强国竞相争夺的制高点。 1.1.1 现代隐身技术 隐身技术，又称隐形技术，是通过降低目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和 攻击的技术。从历史上看，隐身技术大概经历了 60 年代之前的探索阶段，60 年代到 70 年代的 全面发展阶段和 80 年代至今的应用阶段。 现代战场上的侦察探测系统很多，主要有雷达、红外、电子、可见光及声波等探测系统， 因此，相应地就发展了雷达隐身技术、红外隐身技术、电子隐身技术、可见光隐身技术、声波 隐身技术等。由于现在对空中目标的探测仍主要依靠雷达，因此在现代隐形技术设计中，主要 考虑的是如何对雷达隐形，即如何降低雷达的探测度。目前常用的雷达隐身技术主要从外形和 材料两方面进行考虑。 1. 外形方面：要想达到隐身
