CN106852101A - 一种宽带磁隐身罩的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带磁隐身罩的设计方法。本发明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，具体步骤如下：(1)基于超导材料和金属对于电磁屏蔽作用有一定的相似性，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，确定材料的电磁特性参数和结构参数的初值范围以便进行后续优化设计；(2)针对不同尺寸要求的隐身装置和所需要隐身的频段，对金属外壳的厚度、磁性外壳的厚度和磁导率来进行优化设计，同时进一步的采用多层的金属和磁性材料混合的结构；从而获得理想的隐身效果；(3)选取满足性能需求的磁性材料和金属材料，然后进行加工设计，制造出所设计的隐身装置。本发明磁性材料性能突出，结构优化良好。

Description

一种宽带磁隐身罩的设计方法

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:

2.1首先我们确定使用的材料，由于金属材料的电导率的大小是一个有限值，所以在近零频率时，电磁波的趋肤深度变大，金属对低频率的电磁波屏蔽效果会退化。此时考虑到金属的电导率对电磁波的穿透深度，涡流损耗和等效的抗磁性强度的影响，这里我们选取了电导率较大的金属铜，通过数控机床来加工出所需要的外形。在选择磁性材料的时候，这里我们选择了镍锌铁氧体磁性粉末，它的磁滞损耗较小，动态磁导率在很宽的低频波段保持了良好的线性度，磁滞回线的线性度也很好。通过与溶剂母体(这里我们用的石蜡)混合的加工方式，调节铁氧体与固化溶剂之间的质量比来实现所需要的材料磁导率。当然其他满足工作性能的金属材料(如铝，锌等)和磁性材料可以用来进行隐身结构的加工。

2.2在通过商业电磁软件进行结构参数和材料参数优化时，金属壳起了“排斥磁场”的作用，所以金属电导率越高，壳厚(R₂-R₁)越厚，结构尺寸(R₂)越大，金属外壳的抗磁性的能力也越大，在更低的频率能够有效果。磁性外壳同样的，动态磁导率越大，壳厚(R₃-R₂)越厚，“吸引磁场”的能力越强，而此时磁壳由于其动态磁导率具有良好的线性度，所以在“吸引磁场”的能力随频率保持不变。为了获得更宽的隐身装置工作带宽，优化时我们可以增加金属外壳的厚度和结构大小，配合增加磁性外壳的厚度和磁导率，使其在更低频率响应，扩展工作带宽。而为了某些应用场景在特定频段获得隐身效果的同时减轻隐身装置的质量，我们可以减小金属外壳的厚度和磁性外壳的厚度和调整磁导率来实现。

本发明有益效果如下：

本发明通过设计金属与磁性材料的复合结构，实现了在低频波段的三维宽带的磁性隐身效果。

本发明采用了金属材料和铁氧体磁性材料，由于金属电导率大，磁性材料性能突出，结构优化良好，对入射的磁场具有很好的隐身效果。相比于之前的隐身装置，具有在室温，在三维情形下工作和宽带特性等优点。

附图说明

图1为隐身装置的结构示意图。

图2(a)为对金属壳的等效磁极化率实部的频域数值计算结果。

图2(b)为对金属壳的等效磁极化率虚部的频域数值计算结果。

图3(a)为沿z轴距离相应结构表面5mm处的相对强度变化的数值计算结果。

图3(b)为沿z轴距离相应结构表面5mm处的相对强度变化的实验测量结果。

图4(a)为沿z轴距离相应结构表面5mm处的相对相位变化的数值计算结果。

图4(b)为沿z轴距离相应结构表面5mm处的相对相位变化的实验测量结果。

图5为不同频率电磁波入射时沿z轴距离隐身结构表面不同高度处的相对强度变化的数值计算结果。

图6(a)为100Hz情形下数值计算的磁场强度分布。

图6(b)为7.5KHz情形下数值计算的磁场强度分布。

图6(c)为237KHz情形下数值计算的磁场强度分布。

图7(a)为25KHz时，分别沿z轴距离隐身结构，金属壳，磁性壳表面5mm处沿着x轴的相位强度变化的数值计算结果。

图7(b)为25KHz时，分别沿z轴距离隐身结构，金属壳，磁性壳表面5mm处沿着x轴的相位强度变化的实验测量结果。

图8为利用商业金属探测器对使用隐身结构包裹的金属和纯金属球分别探测的示意图。

图9(a)通过示波器测量商业金属探测器检测金属时的信号时域变化结果。

图9(b)通过示波器测量商业金属探测器检测隐身结构包裹的金属时的信号时域变化结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种基于金属和磁性材料复合结构的低频宽带隐身的方法，具体包括以下步骤：

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，因为对金属外壳的电磁响应理论计算过于复杂，而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分析。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。在三维情形的隐身设计中，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。如图1所示，这里计算时我们先用超导材料来替代金属，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，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

一方面在低频情况下，电磁波波长远远大于结构为准静态，另一方面使用金属壳来代替超导材料时它们在低频电磁波时有相似的电磁屏蔽效应，所以我们可以使用公式4可以作为初值来对特定频段进行优化来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:

2.1首先我们确定使用的材料，由于金属材料的电导率的大小是一个有限值，所以在近零频率时，电磁波的趋肤深度变大，金属对低频率的电磁波屏蔽效果会退化。此时考虑到金属的电导率对电磁波的穿透深度，涡流损耗和等效的抗磁性强度的影响，这里我们选取了电导率较大的金属铜，通过数控机床来加工出所需要的外形。在选择磁性材料的时候，这里我们选择了镍锌铁氧体磁性粉末，它的磁滞损耗较小，动态磁导率在很宽的低频波段保持了良好的线性度，磁滞回线的线性度也很好。通过与溶剂母体(这里我们用的石蜡)混合的加工方式，调节铁氧体与固化溶剂之间的质量比来实现所需要的材料磁导率。当然其他满足工作性能的金属材料(如铝，锌等)和磁性材料可以用来进行隐身结构的加工。

2.2在通过商业电磁软件进行结构参数和材料参数优化时，我们先对金属外壳进行分析，首先由于结构远小于波长，可以把金属外壳近似为一个磁偶极子，固定外半径R₂＝2cm的情形下我们可以计算出不同金属壳厚度其等效磁极化率实部和虚部如图2(a)和2(b)所示。实部和虚部的大小分别表示为其电感响应和损耗的大小。这里我们可以看到壳厚越厚，金属外壳可以在越低的频率存在响应。这里金属壳起了“排斥磁场”的作用，类似地我们可以得到金属电导率越高，金属壳外半径R₂越大，壳厚(R₂-R₁)越厚，金属外壳的抗磁性的能力也越大，在更低的频率能够有效果。这里我们取R₁＝1cm，R₂＝2cm，此时通过图2(a)和2(b)，我们可以发现对于10KHz左右及以上的电磁波，金属外壳对电磁波的屏蔽效果趋近于完美，且损耗很小。磁性外壳同样的，动态磁导率越大，壳厚(R₃-R₂)越厚，“吸引磁场”的能力越强，而此时磁壳由于其动态磁导率具有良好的线性度，所以在“吸引磁场”的能力随频率保持不变。为了获得更宽的隐身装置工作带宽，优化时我们可以增加金属外壳的厚度和外径大小，配合增加磁性外壳的厚度和磁导率，使其在更低频率响应，扩展工作带宽。而为了某些应用场景在特定频段获得隐身效果的同时减轻隐身装置的质量，我们可以减小金属外壳的厚度和磁性外壳的厚度和调整磁导率来实现。

实施例1

基于金属和磁性材料复合结构的低频三维宽带室温磁隐身的效果。

基于上述的设计方法，我们设计了一个工作在6KHz到250KHz的三维隐身结构(受限于测试条件)，并进行了相关的仿真和实验验证。

我们设计了R₁＝1cm，R₂＝2cm，R₃＝3cm的复合机构，如图1所示。金属材料为铜，磁性材料磁导率为1.62。图3(a)和图3(b)分别为沿z轴距离相应结构表面5mm处的相对强度变化的数值计算结果和实验测量结果，图4(a)和图4(b)分别为相对相位变化的数值计算结果和实验测量结果。我们可以发现金属材料对磁场有排斥作用，且随着频率变大，排斥效应变弱且损耗(相位大小)变大。磁性材料对磁场有吸引作用，且在低频准静态时，对外加磁场的响应保持不变。如果定义0.5％以内的强度变化为有良好的隐身效果，且不考虑微小的相位变化，我们设计的隐身装置实验验证可以工作在6KHz到250KHz，在磁性材料的性质能够保证的情形下，工作带宽可以进一步增加。图5为不同频率电磁波入射时沿z轴距离隐身结构表面不同高度处的相对强度变化的数值计算结果，进一步证明了我们设计的复合结构的隐身效果。图6(a)、6(b)和6(c)分别为均匀磁场照射时，100Hz、7.5KHz和237KHz情形下数值计算的磁场强度分布。可以看到100Hz时，磁场穿透进入金属壳内部，且外部磁场存在畸变，隐身效果不佳。而在7.5KHz和237KHz的工作频段，设计装置有着良好的隐身过效果。图7(a)和7(b)为25KHz时，分别沿z轴距离隐身结构，金属壳，磁性壳表面5mm处沿着x轴的相位强度变化的数值计算和实验测量结果。可以发现对于隐身装置，实验测试的相对强度变化在我们测量误差范围内(0.3％)，有着良好的隐身效果。

图8为利用商业金属探测器对使用隐身结构包裹的金属和纯金属球分别探测的示意图。金属探测器工作在25KHz，对于纯金属球，探测器的探测磁场会被金属球扰动，从而被探测器接收到信号报警，而对隐身装置包裹的金属，探测器探测不到任何变化。通过示波器，我们可以得到探测器内部的信号变化如图9(a)和9(b)所示。

Claims (4)

1.一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，其特征包括如下步骤：

步骤(1)基于超导材料和金属对于电磁屏蔽作用有一定的相似性，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，确定材料的电磁特性参数和结构参数的初值范围以便进行后续优化设计；

步骤(2)针对不同尺寸要求的隐身装置和所需要隐身的频段，对金属外壳的厚度、磁性外壳的厚度和磁导率来进行优化设计，同时进一步的采用多层的金属和磁性材料混合的结构；从而获得理想的隐身效果；

步骤(3)选取满足性能需求的磁性材料和金属材料，然后进行加工设计，制造出所设计的隐身装置。

2.如权利要求1所述的一种宽带磁隐身罩的设计方法，其特征在于所述的步骤(1)中，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，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，在静磁场下，磁场的分布表示为磁标势的梯度，而磁标势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；

三维情形的隐身设计主要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；由于超导材料的存在，外加磁场不能进入超导材料内部，所以在超导球内挖出一些空气腔室，则能够在其中隐藏一些金属和磁性材料而不被外加磁场探测；

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)，根据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；

通过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

${\mathrm{\μ}}_{FM}=\frac{2R_3^3+R_2^3}{2R_3^3-2R_2^3}---\left(4\right)$

虽然此时理论的计算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，即准静态时通过公式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，通过公式4作为初值来对特定频段进行优化设计，从而确定在材料的电磁特性参数和结构参数。

3.如权利要求2所述的一种宽带磁隐身罩的设计方法，其特征在于所述的步骤(2)中通过商业电磁软件COMSOL对材料的电磁特性参数和结构参数的初值进一步的优化。

4.如权利要求3所述的一种宽带磁隐身罩的设计方法，其特征在于所述的步骤(3)中选取相应的金属材料和磁性材料来加工出对应的结构，具体如下：在选取金属材料时，考虑到金属的电导率对电磁波的穿透深度、涡流损耗和等效的抗磁性的影响，金属材料选取了铜；在选择磁性材料的时候，考虑到非线性的磁滞回线、磁滞损耗和在低频工作时微分磁导率的线性度，选择镍锌铁氧体粉末与溶剂母体混合的加工方式。