本发明涉及电磁技术领域，具体涉及一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷。
背景技术：
2006年，英国物理学家j.b.pendry提出了变换光学理论，该理论是基于麦克斯韦方程在坐标变换中的协变性获得的，通过空间坐标变换来反演材料的电容率和磁导率等电磁参量，从而根据这些电磁参量来设计出某些具有特殊功能的电磁器件。变换光学理论可以用来自由地控制电磁波的传播，其中最重要的应用是隐身斗蓬。隐身斗篷指的是：将待隐身物体外包裹某种特殊的材料后，光线能够在该包裹材料中弯曲前进并在出射时回到原来方向的延长线上，而且在包裹材料表面不存在反射，那么这种包裹材料就称之为隐身斗篷。由变换光学理论得到的隐身斗蓬的电磁参数是各向异性非均匀的材料，并且是带有磁性的，实际制作起来非常困难，特别是光波段的隐身斗篷更难实现，因为光波段的材料通常是非磁性的。
另一种实现隐身的方法是基于alù和engheta提出的散射相消原理，通过在小尺寸物体外包裹一层或两层电磁参数为负的或小于1的各向同性材料后，能够大大减少物体的电磁散射。该原理通常只适用于隐身物体的尺寸远小于电磁波波长的情况，并且电磁参数小于1的包裹材料通常带有严重的损耗，这会大大降低隐身的效果。
2011年，余振中等人提出了采用多层各向同性材料实现自由空间(真空或空气)中的多层结构隐身斗篷的优化设计，研究发现要实现自由空间中的隐身必须要采用介电常数小于1的材料。由于该材料的电磁损耗，2016年余振中等人又提出了采用增益材料来补偿损耗的优化方法，取得了比较好的隐身效果。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷的优化设计方法，将隐身斗篷应用到相对介电常数大于1的背景材料中，并采用常见的硅材料，采用遗传算法优化硅材料的厚度使得电磁散射最小，从而实现隐身。本发明大大简化了隐身斗篷难以实现的问题，并拓宽了隐身斗篷的应用场合。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，采用多层柱状结构，其中核心为pec电导体圆柱，电导体圆柱外周交替的包裹两种材料，分别为材料a和材料b；材料a的相对电磁参数为1，材料b为硅材料；多层柱状结构半径由内而外分别为r1，r2，……，rn；介质背景材料的相对电磁参数为εd和μd；
柱状结构物体在圆柱坐标系(r,θ)中的散射场表示为散射系数和圆柱贝塞尔函数乘积的级数和，当入射波为tmz波，即磁场只有z分量时，散射场中磁场的z分量
其中，
则该多层柱状结构的总散射截面为：
为了便于比较不同物体间的散射强弱，引入归一化散射截面的概念，即将总散射截面除以4/kd，则归一化散射截面为：
通过优化多层柱状结构中电导体圆柱外周交替包裹的各层材料a、硅材料b的厚度，使得散射截面取最小值。
采用遗传算法进行全局优化，最终得到最小的散射截面。
进一步的，材料a选自真空，空气或其他相对电磁参数为εa＝1、μa＝1的材料。
进一步的，材料b采用普通硅材料，在波长为λ＝1550nm时其相对电磁参数为εb＝12.08、μb＝1。
归一化散射截面是由不同阶数的散射系数构成的。当pec电导体圆柱的尺寸和电磁波波长可比拟时，高阶散射系数开始明显起来。当隐身斗篷放置在自由空间的背景中时，从光线的角度去分析，光线在斗篷中需要绕过中心隐藏材料，然后回到原来的方向上，光线走过的曲线长度要比自由空间中直线的路径要长，说明斗篷中电磁波的相速度超过光速，因此隐身斗篷只能采用折射率小于1的材料才能实现隐身。为了避免这种情况，本发明考虑的是介电常数大于1的介质背景材料，在该背景材料下可以采用介电常数大于1的包裹材料来实现多层结构隐身斗篷。
本发明采用两种介电常数均大于1的交替材料来实现介质背景中的多层隐身斗篷；研究过程中发现，当这两种材料的介电常数差异较大时，能更有效地调控电磁散射，因此本发明中采用了一种相对电磁参数为1的自由空间，另一种介电常数较大的硅材料。即优化多层结构中这两种材料的厚度使得散射截面取最小值。此时，散射截面是一个关于各层外半径的函数，采用遗传算法进行全局优化，最终可以得到最小的散射截面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷的优化设计方法，相比于现有技术中由变换光学设计出来的各向异性不均匀材料的隐身斗篷，以及由散射相消原理得到的介电常数小于1的隐身斗篷，本发明采用了常见的硅材料，具有电磁参数简单、易于实现的优点，并且该斗篷可以实现在背景材料中的隐身，拓宽了隐身斗篷的应用场合。
附图说明
图1：本发明的多层硅隐身斗篷的结构示意图。
图2：实施例1中多层硅隐身斗篷的rcs曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，采用多层柱状结构，其中核心为pec电导体圆柱，电导体圆柱外周交替的包裹两种材料，分别为材料a和材料b；材料a的相对电磁参数为1，材料b为硅材料；多层柱状结构半径由内而外分别为r1，r2，……，rn，图1为多层硅隐身斗篷的结构示意图。
本实施例中，选择非磁性介质背景的相对介电常数为εd＝3，裸pec电导体圆柱的半径为r1＝λ0/3，采用4层自由空间和3层硅的交替结构，一共7层来包裹该pec电导体圆柱，由遗传算法优化该多层结构中每一层的外半径，得到r2＝0.3904λ0，r3＝0.4338λ0，r4＝0.6099λ0，r5＝0.7122λ0，r6＝0.7509λ0，r7＝0.78894λ0，r8＝0.7979λ0。
通过数值计算得到相应的rcs曲线，见图2。其中虚线对应的是核心的pec电导体圆柱的rcs曲线，实线对应的是经过优化后的包裹多层硅的多层柱状结构的rcs曲线。
可知在大多数方向上多层硅隐身斗篷的电磁散射比未包裹多层硅的裸pec电导体圆柱小的多，尤其是在前向散射上要小30db以上，说明该多层硅结构能够非常有效地实现介质背景中的隐身。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
1.一种用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，其特征在于：
采用多层柱状结构，其中核心为pec电导体圆柱，电导体圆柱外周交替的包裹两种材料，分别为材料a和材料b；材料a的相对电磁参数为1，材料b为硅材料；多层柱状结构半径由内而外分别为r1，r2，……，rn；
柱状结构物体在圆柱坐标系
其中，
则该多层柱状结构的总散射截面为：
为了便于比较不同物体间的散射强弱，引入归一化散射截面的概念，即将总散射截面除以4/kd，则归一化散射截面为：
通过优化多层柱状结构中电导体圆柱外周交替包裹的各层材料a、材料b的厚度，使得散射截面取最小值。
2.根据权利要求1所述的用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，其特征在于：采用遗传算法进行全局优化，最终得到最小的散射截面。
3.根据权利要求1所述的用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，其特征在于：材料a选自真空，空气或其他相对电磁参数为εa＝1、μa＝1的材料。
4.根据权利要求1所述的用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，其特征在于：材料b采用普通硅材料，在波长为λ＝1550nm时其相对电磁参数为εb＝12.08、μb＝1。
5.根据权利要求1所述的用于介质背景中的多层硅隐身斗篷，其特征在于：背景材料的相对介电常数大于1。
技术总结