一種寬帶磁隱身罩的設計方法與流程

2023-06-16 16:51:31

本發明屬於金屬探測及安全檢測領域，尤其涉及一種寬帶磁隱身罩的設計方法，基於金屬和磁性材料的特異結構實現三維寬帶磁性隱身效果。

背景技術：

隨著電磁學和材料科學的發展以及社會的需要，「隱身衣」這項技術也一直吸引著大家的研究熱情並蓬勃發展起來。在可見光波段的隱身技術的實現如同科幻小說裡的魔法效果一般炫酷，而在紅外波段和微波段實現隱身效果在國防安全等領域也有著巨大的價值。目前絕大多數理論設計和實驗驗證的隱身裝置都是基於變化光學這種設計方法，通過一系列不同電磁特性的空間分布的結構和介質來實現隱身效果。然而，它們中的大多數都存在著某些局限性，如入射的電磁波的頻率，入射角度或者偏振狀態。在高頻波段，為了實現這些結構所使用的昂貴和複雜的加工工藝也使得這些設計距離實際應用依然遙遠，製造和普及真正實用的「隱身衣」任重而道遠。

另一方面，現代社會中基於靜磁場和低頻磁場的檢測技術在安全和探測領域有著廣泛的應用，如在一些重要場所的安全檢測，礦產和考古探測以及軍事排雷等等，所以在靜場或者低頻電磁場條件下實現隱身也有著極其重要的應用價值。基於以上需求，由於超導材料的磁導率在低溫條件下為零，一系列基於超導材料在靜磁場和低頻磁場實現磁性隱身效果的設計被提出，但是這種設計方法在實際應用中有一定的局限性，因為由於需要使用超導體，所以在使用過程中，必須使用低溫裝置來使超導材料溫度在其超導臨界點以下。我們通過使用金屬材料來替代超導材料，我們首次在室溫下實現了三維低頻寬帶的磁性隱身效果，為室溫下實現磁性隱身效果提供了有效的解決方法，讓隱身技術在實用化上獲得實質性突破。

技術實現要素：

本發明的目的是針對目前低頻磁場隱身技術的不足，提供了一種寬帶磁隱身罩的設計方法，基於金屬和磁性材料的特異結構實現三維寬帶磁性隱身效果。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案如下：

步驟(1).在設計金屬和磁性材料的複合結構來實現隱身效果的時候，我們首先需要對金屬殼和磁性外殼對外加磁場的響應進行分析，但是因為其理論計算過於複雜，而基於超導材料和金屬在這裡的作用有一定的相似性，所以我們首先通過對基於超導材料的靜磁場下的隱身衣進行理論的設計。在靜磁場下，磁場的分布可以表示為磁標勢的梯度，而磁標勢可以通過拉普拉斯方程來求解，即：

其中H是靜磁場強度，是磁標勢，μ是不同介質中的磁導率。在超導材料型的隱身設計中，主要理念是在超導材料球外覆蓋上一層特定厚度和磁導率的磁性外殼。如果在超導球內挖出一些空氣腔室，由於超導材料的存在，外加磁場不能進入超導材料內部，所以此時我們可以在其中隱藏一些金屬和磁性材料而不被外加磁場探測。

我們設超導材料內空氣腔為球狀且半徑為R1，超導球的外半徑為R2，磁性殼的外半徑為R3。通過方程1和2，我們能夠得到在球坐標系下拉普拉斯方程的一般性的解，即

其中為i＝1，2，3分別代表在空氣，磁性材料和超導中。Pn(cosθ)是第n階次的勒讓德方程，r是球坐標的半徑，而和是待求解的係數。如果想要實現隱身效果，也就是需要考慮外加均勻磁場照射到結構上，且該結構沒有引起散射等幹擾，此時我們根據一系列邊界條件計算得到磁性材料的磁導率μFM和結構參數之間的關係，即

雖然此時得到的設計參數只是針對超導材料在靜磁場情況下的設計，但是在低頻情況下(電磁波波長遠遠大於結構)，即準靜態時，我們仍然可以用公式4來進行近似，而在使用金屬殼來代替超導材料進行設計的情形下，由於它們在低頻電磁波時的都具有相似的屏蔽效應(超大的電導率)，公式4可以作為初值來對特定頻段進行優化設計，這樣我們就可以確定在材料的電磁特性參數和結構參數。

步驟(2).通過步驟(1)，我們獲得了所需的材料電磁特性參數和結構參數的初值，此時可以通過商業電磁軟體COMSOL來進一步的優化結構和材料參數。主要針對不同應用場景對隱身裝置的大小，重量和探測裝置的探測頻率等要求不同，在所需要隱身的頻段對結構的金屬外殼厚度，磁性外殼厚度和磁導率來進行優化設計，獲得理想的設計參數和隱身效果:

2.1首先我們確定使用的材料，由於金屬材料的電導率的大小是一個有限值，所以在近零頻率時，電磁波的趨膚深度變大，金屬對低頻率的電磁波屏蔽效果會退化。此時考慮到金屬的電導率對電磁波的穿透深度，渦流損耗和等效的抗磁性強度的影響，這裡我們選取了電導率較大的金屬銅，通過數控工具機來加工出所需要的外形。在選擇磁性材料的時候，這裡我們選擇了鎳鋅鐵氧體磁性粉末，它的磁滯損耗較小，動態磁導率在很寬的低頻波段保持了良好的線性度，磁滯回線的線性度也很好。通過與溶劑母體(這裡我們用的石蠟)混合的加工方式，調節鐵氧體與固化溶劑之間的質量比來實現所需要的材料磁導率。當然其他滿足工作性能的金屬材料(如鋁，鋅等)和磁性材料可以用來進行隱身結構的加工。

2.2在通過商業電磁軟體進行結構參數和材料參數優化時，金屬殼起了「排斥磁場」的作用，所以金屬電導率越高，殼厚(R2-R1)越厚，結構尺寸(R2)越大，金屬外殼的抗磁性的能力也越大，在更低的頻率能夠有效果。磁性外殼同樣的，動態磁導率越大，殼厚(R3-R2)越厚，「吸引磁場」的能力越強，而此時磁殼由於其動態磁導率具有良好的線性度，所以在「吸引磁場」的能力隨頻率保持不變。為了獲得更寬的隱身裝置工作帶寬，優化時我們可以增加金屬外殼的厚度和結構大小，配合增加磁性外殼的厚度和磁導率，使其在更低頻率響應，擴展工作帶寬。而為了某些應用場景在特定頻段獲得隱身效果的同時減輕隱身裝置的質量，我們可以減小金屬外殼的厚度和磁性外殼的厚度和調整磁導率來實現。

本發明有益效果如下：

本發明通過設計金屬與磁性材料的複合結構，實現了在低頻波段的三維寬帶的磁性隱身效果。

本發明採用了金屬材料和鐵氧體磁性材料，由於金屬電導率大，磁性材料性能突出，結構優化良好，對入射的磁場具有很好的隱身效果。相比於之前的隱身裝置，具有在室溫，在三維情形下工作和寬帶特性等優點。

附圖說明

圖1為隱身裝置的結構示意圖。

圖2(a)為對金屬殼的等效磁極化率實部的頻域數值計算結果。

圖2(b)為對金屬殼的等效磁極化率虛部的頻域數值計算結果。

圖3(a)為沿z軸距離相應結構表面5mm處的相對強度變化的數值計算結果。

圖3(b)為沿z軸距離相應結構表面5mm處的相對強度變化的實驗測量結果。

圖4(a)為沿z軸距離相應結構表面5mm處的相對相位變化的數值計算結果。

圖4(b)為沿z軸距離相應結構表面5mm處的相對相位變化的實驗測量結果。

圖5為不同頻率電磁波入射時沿z軸距離隱身結構表面不同高度處的相對強度變化的數值計算結果。

圖6(a)為100Hz情形下數值計算的磁場強度分布。

圖6(b)為7.5KHz情形下數值計算的磁場強度分布。

圖6(c)為237KHz情形下數值計算的磁場強度分布。

圖7(a)為25KHz時，分別沿z軸距離隱身結構，金屬殼，磁性殼表面5mm處沿著x軸的相位強度變化的數值計算結果。

圖7(b)為25KHz時，分別沿z軸距離隱身結構，金屬殼，磁性殼表面5mm處沿著x軸的相位強度變化的實驗測量結果。

圖8為利用商業金屬探測器對使用隱身結構包裹的金屬和純金屬球分別探測的示意圖。

圖9(a)通過示波器測量商業金屬探測器檢測金屬時的信號時域變化結果。

圖9(b)通過示波器測量商業金屬探測器檢測隱身結構包裹的金屬時的信號時域變化結果。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

一種基於金屬和磁性材料複合結構的低頻寬帶隱身的方法，具體包括以下步驟：

步驟(1)，在設計金屬和磁性材料的複合結構來實現隱身效果的時候，因為對金屬外殼的電磁響應理論計算過於複雜，而超導材料和金屬在這裡的作用有一定的相似性，所以我們首先通過對基於超導材料的靜磁場下的隱身衣進行分析。在靜磁場下，磁場的分布可以表示為磁標勢的梯度，而磁標勢可以通過拉普拉斯方程來求解，即：

其中H是靜磁場強度，是磁標勢，μ是不同介質中的磁導率。在三維情形的隱身設計中，主要理念是在超導材料球外覆蓋上一層特定厚度和磁導率的磁性外殼。如圖1所示，這裡計算時我們先用超導材料來替代金屬，超導材料內空氣腔為球狀且半徑為R1，超導球的外半徑為R2，磁性殼的外半徑為R3。通過方程1和2，我們能夠得到在球坐標系下拉普拉斯方程的一般性的解，即

其中為i＝1，2，3分別代表在空氣，磁性材料和超導中。Pn(cosθ)是第n階次的勒讓德方程，r是球坐標的半徑，而和是待求解的係數。如果想要實現隱身效果，也就是需要考慮外加均勻磁場照射到結構上，且該結構沒有引起散射等，此時我們根據一系列邊界條件計算得到磁性材料的磁導率μFM和結構參數之間的關係，即

一方面在低頻情況下，電磁波波長遠遠大於結構為準靜態，另一方面使用金屬殼來代替超導材料時它們在低頻電磁波時有相似的電磁屏蔽效應，所以我們可以使用公式4可以作為初值來對特定頻段進行優化來確定在材料的電磁特性參數和結構參數。

步驟(2)，通過步驟(1)，我們獲得了所需的材料電磁特性參數和結構參數的初值，此時可以通過商業電磁軟體COMSOL來進一步的優化結構和材料參數。主要針對不同應用場景對隱身裝置的大小，重量和探測裝置的探測頻率等要求不同，在所需要隱身的頻段對結構的金屬外殼厚度，磁性外殼厚度和磁導率來進行優化設計，獲得理想的設計參數和隱身效果:

2.1首先我們確定使用的材料，由於金屬材料的電導率的大小是一個有限值，所以在近零頻率時，電磁波的趨膚深度變大，金屬對低頻率的電磁波屏蔽效果會退化。此時考慮到金屬的電導率對電磁波的穿透深度，渦流損耗和等效的抗磁性強度的影響，這裡我們選取了電導率較大的金屬銅，通過數控工具機來加工出所需要的外形。在選擇磁性材料的時候，這裡我們選擇了鎳鋅鐵氧體磁性粉末，它的磁滯損耗較小，動態磁導率在很寬的低頻波段保持了良好的線性度，磁滯回線的線性度也很好。通過與溶劑母體(這裡我們用的石蠟)混合的加工方式，調節鐵氧體與固化溶劑之間的質量比來實現所需要的材料磁導率。當然其他滿足工作性能的金屬材料(如鋁，鋅等)和磁性材料可以用來進行隱身結構的加工。

2.2在通過商業電磁軟體進行結構參數和材料參數優化時，我們先對金屬外殼進行分析，首先由於結構遠小于波長，可以把金屬外殼近似為一個磁偶極子，固定外半徑R2＝2cm的情形下我們可以計算出不同金屬殼厚度其等效磁極化率實部和虛部如圖2(a)和2(b)所示。實部和虛部的大小分別表示為其電感響應和損耗的大小。這裡我們可以看到殼厚越厚，金屬外殼可以在越低的頻率存在響應。這裡金屬殼起了「排斥磁場」的作用，類似地我們可以得到金屬電導率越高，金屬殼外半徑R2越大，殼厚(R2-R1)越厚，金屬外殼的抗磁性的能力也越大，在更低的頻率能夠有效果。這裡我們取R1＝1cm，R2＝2cm，此時通過圖2(a)和2(b)，我們可以發現對於10KHz左右及以上的電磁波，金屬外殼對電磁波的屏蔽效果趨近於完美，且損耗很小。磁性外殼同樣的，動態磁導率越大，殼厚(R3-R2)越厚，「吸引磁場」的能力越強，而此時磁殼由於其動態磁導率具有良好的線性度，所以在「吸引磁場」的能力隨頻率保持不變。為了獲得更寬的隱身裝置工作帶寬，優化時我們可以增加金屬外殼的厚度和外徑大小，配合增加磁性外殼的厚度和磁導率，使其在更低頻率響應，擴展工作帶寬。而為了某些應用場景在特定頻段獲得隱身效果的同時減輕隱身裝置的質量，我們可以減小金屬外殼的厚度和磁性外殼的厚度和調整磁導率來實現。

實施例1

基於金屬和磁性材料複合結構的低頻三維寬帶室溫磁隱身的效果。

基於上述的設計方法，我們設計了一個工作在6KHz到250KHz的三維隱身結構(受限於測試條件)，並進行了相關的仿真和實驗驗證。

我們設計了R1＝1cm，R2＝2cm，R3＝3cm的複合機構，如圖1所示。金屬材料為銅，磁性材料磁導率為1.62。圖3(a)和圖3(b)分別為沿z軸距離相應結構表面5mm處的相對強度變化的數值計算結果和實驗測量結果，圖4(a)和圖4(b)分別為相對相位變化的數值計算結果和實驗測量結果。我們可以發現金屬材料對磁場有排斥作用，且隨著頻率變大，排斥效應變弱且損耗(相位大小)變大。磁性材料對磁場有吸引作用，且在低頻準靜態時，對外加磁場的響應保持不變。如果定義0.5％以內的強度變化為有良好的隱身效果，且不考慮微小的相位變化，我們設計的隱身裝置實驗驗證可以工作在6KHz到250KHz，在磁性材料的性質能夠保證的情形下，工作帶寬可以進一步增加。圖5為不同頻率電磁波入射時沿z軸距離隱身結構表面不同高度處的相對強度變化的數值計算結果，進一步證明了我們設計的複合結構的隱身效果。圖6(a)、6(b)和6(c)分別為均勻磁場照射時，100Hz、7.5KHz和237KHz情形下數值計算的磁場強度分布。可以看到100Hz時，磁場穿透進入金屬殼內部，且外部磁場存在畸變，隱身效果不佳。而在7.5KHz和237KHz的工作頻段，設計裝置有著良好的隱身過效果。圖7(a)和7(b)為25KHz時，分別沿z軸距離隱身結構，金屬殼，磁性殼表面5mm處沿著x軸的相位強度變化的數值計算和實驗測量結果。可以發現對於隱身裝置，實驗測試的相對強度變化在我們測量誤差範圍內(0.3％)，有著良好的隱身效果。

圖8為利用商業金屬探測器對使用隱身結構包裹的金屬和純金屬球分別探測的示意圖。金屬探測器工作在25KHz，對於純金屬球，探測器的探測磁場會被金屬球擾動，從而被探測器接收到信號報警，而對隱身裝置包裹的金屬，探測器探測不到任何變化。通過示波器，我們可以得到探測器內部的信號變化如圖9(a)和9(b)所示。