1 绪论
1.1 课题研究背景与意义
电磁波是由电场和磁场组成的，二者互相垂直，以波的形式沿着与电场和磁场构成平面的垂直方向在空间中传播，伴随着电磁波的传播，可以有效的传递能量和信号。1864 年，英国数学家及物理学家麦克斯韦预测电磁波的存在，通过理论计算推导出了麦克斯韦方程组，并在前人的基础上总结建立了电磁波相关理论，为电磁波的科学研究及现代信息技术的发展奠定了基础。1887 年德国物理学家赫兹第一次通过实验证实了电磁波的真实存在，为后续发展做出了重大贡献。1898 年，马可尼通过实验，发现了更多波长和频率不同的电磁波，并证明光也是一种波。
随着社会的发展和科技水平的进步，电磁波早已广泛应用在各个领域。在民用方面，与人们生活息息相关的通讯、数码、电器、医疗等设备的正常运行无不依靠电磁波发挥着重要作用，改善电磁干扰、调控电磁信号的传输是当前科学研究的重点。在军事战争中，传统的武力对决早已演变成信息战，战斗双方最关注的就是电磁波信号的控制权，掌握信息传输就可以更准确、更高效地采取措施。随着电磁探测研究的深入，雷达可以在很远距离检测到电磁信号，从而判断出战斗机等军事武器的目标位置，电磁波也是军事作战中的隐患，提升武器设备对电磁波的吸收，减少外向辐射变得尤为重要。提高军事装备的隐身性能、降低其被雷达监测到的概率，可以使作战方在对战中变被动为主动，更加高效灵活地施展作战手段。因此，研究和设计具有灵活电磁调控及低反射特性的新型电磁材料，在各大领域都有着至关重要的意义。
一般情况下，可以通过两种方式提升材料的隐身特性：第一，将入射电磁波能量损耗吸收或者转化掉，从而减小后向反射；第二，使入射电磁波被散射到无数个不同方向，由于能量守恒，每个方向上的散射能量非常低，减小单站 RCS。........................
1.2 超材料概述
超材料是一种由亚波长尺寸基本单元组成的人工电磁材料，有自然界天然材料不具备的超常电磁特性，国际上用英语统称其为“Metamaterial”。爱因斯坦在广义相对论中指出，空间和时间在某种程度下均可“弯曲”，那么同理电磁波在传输过程中同样可以弯曲，但前提是得制作出体积足够小的“材质”。
电磁研究中常见的超材料为三层或两层结构：三层结构中从上到下分别为金属图案单元、介质基板及防止电磁波透射的金属底板；两层结构由金属图案和介质基板组成；不同结构的超材料还可以进行组合扩展，组成更丰富的结构。超表面是从二维角度分析的超材料结构，即不考虑结构相同的 Z 方向，只考虑 X、Y二维方向的排布，通常比较薄，占用空间小。超材料的超常电磁特性来源于其基本单元，即亚波长尺寸的人造结构，对基本单元的结构参数进行调整修改就能获得不同的电磁参数，影响电磁特性从而调控电磁波。
媒质的电磁特性由两个基本参数决定，即介电常数和磁导率，在电磁学中通常用 (ε)和(μ)来表征。介电常数反映材料与电场之间的极化关系，描述材料在电场作用下的响应；磁导率反映材料与磁场之间的极化关系，描述材料在磁场作用下的响应。借鉴数学中二维数轴的思想，
可以分别以(ε)和(μ)作为 X 轴和 Y 轴，按照正正、负正、负负、正负将媒质划分成四个区间，分别代表不同类型，如图 1-1 所示。
........................
2 主要理论及研究方法
2.1 材料的吸波特性
.........................
2.2 阻抗匹配原理
阻抗匹配原理由电磁波传输线理论推导而来，主要用来研究电磁波穿透吸波材料表面到达其内部的条件，通过合理设计吸波体阻抗可以控制易于进入吸波体内部的电磁波频段、进入量、反射量等。当吸波材料与自由空间的阻抗匹配较好时，能尽可能地使入射电磁波进入吸波体内部，从而有针对性地发挥工作机理。
.........................
3 双频异常反射超表面设计及性能研究 ...................... 20
3.2 模型仿真与分析 ............................. 23
3.3 样品制备与结果验证 ........................... 26
4 基于漫反射的编码超材料设计及 RCS 缩减研究 ............................ 29
4.1 编码单元结构设计 .................................. 30
4.2 规则编码超材料仿真分析 ......................... 31
4.3 基于随机运算的编码序列计算方法 ................... 33
5 磁性材料与超材料复合结构电磁特性研究 .................................... 42
5.1 基于损耗的磁性材料吸波特性研究 ....................... 42
5.2 复合材料结构设计 ............................... 45
5.3 复合材料电磁特性及其影响因素仿真分析 ................................. 46
5 磁性材料与超材料复合结构电磁特性研究
5.1 基于损耗的磁性材料吸波特性研究
为了充分研究复合结构的电磁特性，便于对比分析编码超材料和磁性材料在复合结构中起到的作用，首先对磁性材料展开研究。本设计中用到的磁性材料是以羰基铁粉为原材料，加入硅橡胶作为粘接剂压制而成的橡胶片磁性材料，羰基铁粉起到主要吸收作用，
二者以一定的质量比混合。制备过程中，经过像塑开炼机反复多次混合压制，羰基铁粉与硅橡胶充分均匀混合，可以认定所得材料是均一稳定的。运用同轴法测量所制备材料的电磁参数[65]，以频率为横坐标作出其曲线图，如图 5-1 所示。
.......................
6 总结与展望
6.1 总结
超材料的出现为电磁隐身材料提供了更多可能，各界学者对超材料的广泛研究使其相关理论和应用日渐成熟，超材料的发展上升到新的台阶。材料的吸波特性、阻抗匹配等基本原理为隐身材料的设计提供了理论指导，广义斯涅耳反射定律及相位梯度和编码超材料概念的引入，为新型高性能材料提供了新的理论依据和设计思路。本文从广义斯涅耳定律及超材料概念出发，以降低全空间反射率、提升材料隐身特性的复合材料为研究目标，设计了基于同心缺口双环单元的相位梯度超表面及基于方块单元的编码超材料，并将磁性材料和超材料组合到一起构成复合材料结构，提升宽频低反射特性，主要工作内容如下：
简要阐述了电磁材料研究中基础的材料吸波特性、阻抗匹配等基本原理，基于费马原理和边界条件推导了广义斯涅耳定律，探讨相位梯度超表面和编码超表面对电磁波的散射特性，并基于传统天线阵理论分析了编码超材料中编码序列对电磁波的灵活调控作用。解释了基于有限积分法的 CST 微波工作室仿真计算原理，并介绍了测量反射率的弓形法和测量 RCS 的自由空间法等样品测量方法，及误差可控方式。
基于广义斯涅耳定律，从相位梯度出发，设计了基于同心缺口双环的图案单元，通过调整结构尺寸实现了工作频点 6.8GHz 和 16.8GHz 处的相位突变，组合成超表面后能实现对入射电磁波的异常反射，通过散射特性降低垂直方向的反射率。并在工作频点处对超表面 RCS 缩减进行研究，与反射率结果一致，验证了其在工作频点异常反射电磁波的工作机理，可以在设计频点 6.8GHz 和 16.8GHz处实现低反射率和 RCS 缩减，为低反射超材料提供了思路。
参考文献（略）