基于复数坐标变换法的无阴影隐身装置的优化设计及原理分析

The shadow problem (or loss problem), i.e., the contradiction between the requirement of lossless materials by the cloak designs and the unavoidable loss in practical materials, has been a critical issue in the realization process of various invisibility cloak designs because this will cause visible shadow to make the cloaking fail. In spite of that, few works have discussed the solutions of the loss problem in cloaks, and none is available in practice. .This project aims to provide a practically available solution to the loss problem in cloaks by properly optimizing the theoretical design scheme. The design should only involve accessible materials in reality, and the physical implications of such a design will also be studied. By introducing the complex coordinates into the traditional coordinate transformation method, a complex coordinate transformation method will be established, and it is able to provide the loss problem a theoretical solution, in which the involved materials are obtainable by nowadays metamaterial fabrication technologies. Based on the design results, the mechanism of the interaction between the loss and gain parts of the materials will be studied, and how the gain should be adjusted when the loss changes with respect to the design results will also be explored. All of the above researches form a firm theoretical basis for the realization of shadowless cloaks. This project should break the limitation of material loss to the cloaking performance and greatly promote the cloak researches from theory to experimental implementation.

隐身装置中的阴影（或损耗）问题，即隐身装置设计结果中所要求的材料的无损耗和现实中材料不可避免的损耗之间的矛盾，会导致阴影从而使隐身失效，但是目前尚未有可用的解决办法见诸报道。.本课题旨在从理论上为隐身装置的损耗问题提供可实用化的解决办法，从改进研究隐身衣的设计方法出发，在现有材料技术的基础上设计出可实现的增益补偿型无阴影隐身装置，并研究其中的物理机制。首先通过将复数坐标引入传统坐标变换过程,并优化得出一种新的复数坐标变换方法，该方法既能考虑到材料参数的损耗及其均衡补偿方案，又能确保涉及的材料在现有技术条件下可获得性。在此基础上，研究材料的增益和损耗相互作用机制，探讨设计中部分材料损耗或者增益变化时的应对方法，为实现无阴影的隐身装置打好理论基础，为其实现提供依据。通过本项目的实施，可望突破材料损耗对隐身性能的限制，推动隐身装置从理论研究进一步走向实验研制。

超材料对电磁波的损耗通常较大，这导致隐身装置设计结果中所要求的材料的无损耗和现实中材料不可避免的损耗之间的矛盾，从而使全方向隐身失效；另一方面超材料的高损耗如能扩展到宽带范围，对传统的降低后向RCS的隐身也具有重要意义。本课题主要研究隐身装置与结构中超材料的损耗，从理论上为隐身装置的阴影问题提供可实用化的解决办法，从改进研究隐身衣的设计方法出发，在现有材料技术的基础上设计出可实现的增益补偿型无阴影隐身装置，并研究其中的物理机制；另一方面也通过对超材料损耗特质的利用，实现对电磁波的宽带吸收和单向隐身。通过本项目的执行，我们将复数坐标引入了坐标变换过程，获得了新型的复数坐标变换法，并利用它设计了增益补偿型的隐身衣和无损透镜等装置；此外，通过对超材料损耗行为以及增益和损耗相互作用机制的研究，获得了一种对超材料损耗的补偿方法；通过对超材料损耗来源的研究，获得了利用超材料损耗实现宽带吸波隐身的方法。基于这些方法，提出了一种新颖的超材料/磁性吸波涂层双层复合的形式，使超材料和传统磁性吸波涂层分别发挥低频和高频下的高性能吸收，从而获得吸收带宽上的显著拓展；基于全新的多重厚度共振效应和边缘衍射效应，利用常规磁性吸波材料，通过简单的图形化方法获得了一种超宽带的新型超材料。通过这些研究，不但为无阴影的隐身装置的设计提供了方法和理论基础，也为利用超材料提高传统吸波型隐身材料的性能提供了借鉴。