学者原创111

更新时间:2016-11-30

摘要:夲文主要探讨由人工电磁材料引出的“人造黑洞”、“魔术口袋”和“孙悟空七十二变”等相关学术问题。从微波专业角度探讨人造电磁黑洞的真实存在与否。


关键词:人工电磁材料,人造电磁黑洞,电磁场測量,远程隐身,微波天线,D.R.Smith。                                              

一.引言


2009年, D.R.Smith发表他的试验结果[1、2]以来,引起了不小的反响,他证明了人工电磁材料的負折射率,实际上也就是证明了人工电磁材料的存在。如今人工电磁材料的研究工作正向纵深发展,其应用范围也在不断扩大。 主要涉及固体物理、材料科学、光学、化学、应用电磁学、医学成像、微波天线和器件、纳米学科(包括纳米材料、加工、检测)和军事应用等。[3-10]


2008年, 在东南大学召开了一次国际专题学术研讨会,是崔铁军等主持这次研讨会,会后崔铁军发表了“人造电磁黑洞”的科研成果,惊动了欧美和俄罗斯,其影响之大,非同一般。随着研究深入,由“光学变换”演变成“幻想光学”,将实际存在的人工电磁材料变成了看不见的影子,称之为远程隐身.[11、12] 原先发表的隐身斗篷己经落后,因为隐身斗篷[7]是通过保角变换将待隐身的物体包围起来,然后让电磁波传播方向拐弯,这电磁波非常听“人工电磁材料”的话!


其实这保角变换就是处理奇异性问题,文章[13]在构建隐身斗篷问题时,对扩展式映射方法,在引入边界媒质参数极值时,出现奇异性问题。为此该文作者提出三种方法来进行保角变换。作者只给出仿真结果,无实测结果。而文章[11]的作者认为这种隐身概念就相当于孙悟空真的来到人间,有七十二种变化,其变化的依据就是幻想光学的理论。该作者认为无需将隐身器件包围待隐身物体,只要放在它旁边即可,也就是说,不必让电磁波传播方向拐弯, 即可实现真正意义上的隐身!这等于将隐身斗篷的成果向前推进了一大步,又上一个台阶。[14]

不难看出人工电磁材料的出现带来了两大科研成果:一是“人造电磁黑洞”[15-18],由东南大学崔铁军研究团队研制成功;二是香港科技大学物理系赖耘等实现的“孙悟空的七十二变”,从而实现真正隐身。这两大果实是惊世之举,是真的实现了还是科幻?或是根本不成立,值得探讨。

 

二.两篇文章的说法揭示什么?


第一篇文章发表在中国激光杂志社编辑出版Chinese Optics Letters(COL)《光电产品与资讯》网上.[19] 其题目是:“基于人工电磁材料的科技幻想”,文章的题目表明人造黑洞是科学幻想。它现在没有实现。该文未讨论这一看法的理由。


笔者问世”。周磊教授是参加2008年国际专题学术研讨会大会发言人之一。[20]


这两篇文章在不同程度上否定了人造黑洞的存在,这是针对光波而言。说这是科学幻想,是比较客观也是比较客气的说法。说是炒作是不客气的批评。笔者对光学没有研究,不对此作评论。但因研究者声称是在微波频段实现了“人造电磁黑洞”,这是真的实现了吗?那些专家审定的呢?东南大学学术委员会应该清楚此事,笔者下面提出一些疑问,希望引起业界关注。

 

三. D.R.Smith试验有什么问题?


D.R.Smith的试验给出了折射率结果,可以明显看出试验结果与分析结果在19.2到l9.8GHz频带内是很不相符的,分析结果有一个很大的峰值,是负值方向。而实测值的峰值只有2.71。为什么会出现这样的问题,研究者如何解释?有两种可能:一种可能是等效参数法在谐振的频带内处理有问题;另一种可能是这种测试方法存在问题,因为研究者釆用标量网络分析仪测量外场信号,而不是测量内场信号。另外,如果这种方法是测量近场,应在电波暗室用近场测量仪自动测量;如果是测量远场,应该用方向图测试仪测出辐度和相位方向图,最好测出立体方向图。研究者在美国应该有条件测量出这些数据。我国有这样的进口測试设备,可以完成这些测试项目。Smith所作的测试早已落后,它已涉足微波天线和天线测量专业范围。他忽略了相位参数的测量和分析。如果改变收、发间距和被测件架设高度,他的测试结果还能重复吗?!笔者的科研实践认为这一结果不能重复。


从分析方法上看,在19GHz附近,应考虑物理光学分析法,不能单纯用几何光学法分析。从研究者们发表的文章看,都是假定平面波入射,这一假设条件显然是不够精确的。另外到目前为止,对人工电磁材料的分析大都未考虑单元间的耦合,以及层与层之间的耦合。


另外,测试结果的左图不光滑,有两个峰值,而右图是光滑的,产生这种现象的原因是什么?可能与相位有关,研究者应该给出相位方向图测试结果。在测试时应轴向和垂直地面方向移动被测件。覌测数据变化。


这个测试结果不完善的地方还有:从折射率由正值向負值转变时,对应的频率范围是从低于19GHz向大于19GHz变化,其中有折射率为零和负l,这是两个关键数据,为什么不给出幅度和相位方向图?到底会出现什么现象?现在“幻象光学”所做的变换就是想躲开这一区域。


在介电常数和磁导率为零时,会出现奇异性问题,这是数学问题,其物理意义如何解释呢?用保角变换将奇异性问题处理掉,可是物理意义如何解释呢?在这种情况下,求解麥克斯韦方程的边界条件还能满足吗?


有些论文推导波动方程时,先假定介电常数和磁导率不为零得出,然后再用零值去仿真。为什么不先以介电常数和磁导率为零代入麥克斯韦方程,再去推导波动方程呢?显然这是自相矛盾,不能成立的。[18]


D.R.Smith的试验无论是近场测量或是远场测量,应该可以互相转换。研究者应保证数据的可重复性。理论值与实测值的不相吻合,应该找出原因进行讨论。

 

四.关于人工电磁材料的讨论


笔者在过去的博文中首先讨论的英文词汇Metamaterial有多种含义:手征媒质;新型人工电磁材料[19];复合左/ 右手媒质等,左手材料(Left-handed Materia1)、负折射率材料(Negative Index Refraction,NIR)、后向媒质(Back wave Media,BWM)、双负材料(Double Negative Materia1,DNG)还有超材料;元材料等译法。


后来笔者又查阅一些文献资料,除上述含义和说法外,还有以下说法:国防科技大学博士论文用的名词是超介质材料[20],还有称作异向介质[21]和超构材料[22]。


在国际学术期刊上对这种人工电磁材料主要有两种称呼: Electromagnetical Metamaterial(或Metamaterial)和Composite Right-/Left-Handed Metamaterial(或materials).国际上普遍认可的定义为:“An artificial effectively homogeneous composites or structured materials that exhibit unusual properties not readily available in natural”。其确切含义是:由介质基片(包括单层或多层)和在其上刻蚀的金属图形,构成超常规材料的电磁宏观特性,产生这些特性主要取决于人为设计的图形结构,与基片材料和控制方法也有关联。

但是,这种人工电磁材料的出现,己渗透到不少边缘学科,例如,光学、声学、纳米材料、化学高分子等,使其原先的概念有所改变。


这种材料的工作频率范围已经包含声波、米波、分米波、厘米波、毫米波、红外、可见光等范畴,但实验工作还很有限,其理论分析也未完善,尚存在一些不能解释的问题,有待完善。


2001年,美国加州大学圣迭戈分校的Smith教授等人,在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品,并实验证明了负折射现象与负折射率。翌年,美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组,几乎同时提出一种基于周期性LC网络,实现了超材料的新方法。 2002年底,麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性,称之为“异向介质”。


不难看出人工电磁材料早就有两种技术途径实现,分析方法也不同。前者是用等效参数法,是谐振型;后者是用等效电路法,是非谐振型。国防科技大学论文比较客观,对两种方法进行了比较。[16] 文章指出:2002年,美国加州大学洛杉矶分校Itoh教授[23]和加拿大多伧多大学G.V.E1eftheriadg教授[24]等分别提出非谐振型左手材料---复合左/右手传输线(CRLH-TL)。这种材料是从传输线角度提出,是用加载L-C元件或叉指型电容和螺旋型电感制成。这种材料与现有平面传输线、平面波导、平面天线易连接,加工工艺易兼容,材料参数易调整。另外,这种材料频带宽、损耗低、尺寸小、性能新颖等优点,也易集成化。但不易实现三维结构。


另外,这种材料的应用还在探讨之中,说其优点多,说其缺点少。人云亦云者多,对存在的问题讨论得很少。现在看来要对这类人工电磁材料用统一名称很困难,因为实现左手材料已有两种方法,而左手材料与右手材料还可以复合。另外,从宏观可以实现,从微观也可以实现。

 

 

五.人造电磁黑洞实现了吗?


崔铁军研究团队在网上公布的多幅图,几何无一文字说明,是不愿意说还是解释不清楚。人工电磁材料实际上是宏观效应,从照片看,它是在介质基片上刻蚀成所需要的图形,例如金属线条和开口园环,也有矩形,还有梳状等。其排列方式包括周期性和非周期性,也有两者组合排列。介质基片有玻璃纤维板、陶瓷、石英、铁氧体等。为了改变参数有的用变容二极管控制,也有其它方法。除单层结构外,还有多层结构。


不管怎么说,这是宏观电磁效应,不应该用微观来解读。至于纳米材料实现人工电磁材料与Smith和崔铁军所说的材料不是一回事。而光子晶体是另一回事。


崔铁军研究团队拥有的模型能说是研制成了吗?笔者不认为人造电磁黑洞已经研制成功。百度网文章[25]指出:11月30日消息,据英国《新科学家》杂志报道,两名中国科学家首次制造出可以吸收周围光线的人造电磁“黑洞”。这个黑洞目前在微波频率下工作,或许不久后它就能够吸收可见光,一种把太阳能转化为电能的全新方法可能因此产生。崔铁军说:“入射电磁波遇到该装置时,电磁波将被该装置捕获,然后被引导着进入黑洞的中心核,被中心核吸收。电磁波不会再从黑洞中出来。”按照这种说法,这种电磁黑洞,可以把空中的电磁波全部吸收进来。


现在笔者假设人造电磁黑洞真的研制成功,那么它可以用来反导弹系统,也可以反无人机。而这个系统还可以是无源工作,不需要发射电磁波,不会轻易被敌方发现。按照这种逻辑,它的发展前途很大,美国军方或中国军方应该特别关注才是。[26、27]  那么现在有没有条件实现呢?笔者从网上搜索,重庆有一个化工厂,是生产人工电磁材料,另外,网上还有推销该产品的企业,将原先菜盘大黑洞改变成足够大黑洞应该没有问题。可以首先用无人机进行试验,看他能否打下无人机。然后再利用这人造电磁黑洞,进行反导实验,如果试验成功,就可以宣布人造电磁黑洞已经研制成功,并且是开创性的新武器。否则就不可能认为他已经研制成功。


 

六. 结论与讨论


笔者认为人造电磁黑洞现在没有研制成功。把它看成科学幻想比较确切。如果研究者认为笔者提出的方法实现有困难,还有一个办法来验证。这就是找一个有电磁屏蔽室的单位,将人造电磁黑洞安装到屏蔽室上面,将里面所有电磁波吸收干净,然后利用中国计量科学研究院无线电处拥有的1-40GHz的场强计来测量。如果測量值为零或很小,就可以说明人造电磁黑洞真的研制成功。

 

七. 参考文献


[1] Smith D.R,et el.,  Phys. Rev.Lett., 2000.84: 4184-4187.

[2] Shelby R.A, Smith D R, Schultz s,  Science, 2001,292:77-79.

[3] Fan-Yi, et.al, “Polarization-Independent Metamaterial Analog of Electromagnetically Induced Transparency for a Refractive-Index-Based Sensor”, IEEE Transactions Microw. Theory Tech., Vol. 60, no.10, pp.3013-3034, oct. 2012.

[4] Angel Belenguer, et el., “Dual Composite Right-/Left-Handed Coplanar Waveguide Transmission Line Using Inductively Connected Split-Ring Resonators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 60, no.10, pp.3035-3042, oct. 2012.

[5] Filippo Costa, et el., “A Frequency Selective Radome With Wideband Absorbing Properties”, IEEE  Trans. Antennas  and Propagation, Vol.60, no.6, pp.2740-2747, June 2012.

[6] Ziolkowski, “A Metamaterial-based efficient electrically small antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Vol.54, No.7:2113-2130.2006.

[7] Lee K,Leong,M K H, Itoh T,“Design of resonant small antenna using composite right/left-handed transmission line”, Proc.IEEE Antennas and Propagation Society Int.Symposium, June 2005.

[8] Kamada, Shinji Michishita,“Metamaterial lens antenna using dielectric resonators for wide angle beam scanning”,2010 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation.

[9] Filippo costa and A. Monorchio,“A Frequency selective Radome With Wideband Absorbing properties ”.IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.60, No.6:2740-2747, June 2012.

[10] 邓龙江等,“多频谱隐身涂层材料进展”,Vo1.32,No.8,Aug. 2013.

[11] 赖耘,杭志宏,黄学勤、陈子旁,“隐身材料”(Cloaking material), 《物理》,Vol.41, no.9, 589-594,2012.(见百度文库).

[12] Cho  A.,Science, 2009, 323 : 701.

[13] 庞旭东和朱守正,“电磁隐身斗篷奇异性问题的处理与分析”,华东师范大学信息科学与技术学院,电波科学学报,Vol.28,No.1,2013-02,PP.169。

[14] Cho A,  Science,2009,323:701.

[15] 中国科学家成功造出菜盘大“电磁黑洞”,环球科学(重庆),2009.l0.24,l3:40:53。

[16] “神奇的超材料一人工电磁结构材料”,中国科学院网页上的科普文章,2014.2.27日。

[17] 中国节能环保网:人造电磁“黑洞”可吸收太阳能 转化为热能或电能,2009年10月15日  引用日期:2009-12-31。

[18] 人民网:我国科学家验证“光学黑洞”理论,2009年12月31日 。

[19] “基于人工电磁材料的科技幻想”,《光电产品与资讯》,2010-06-10,百度网。

[20] 周磊,“可见光隐身衣尚未问世”,2009.9.14.07:33.http://www.sina.com.cn。

[21] 凌晓辉,“各向同性零折射率超介质中电磁波的传播特性研究”,湖南大学信息与通讯工程专业硕士生论文,导师唐志祥,2010-03-15。

[22] 鲍迪硕士论文,“新型人工电磁媒质的应用研究与测量系统设计”,东南大学电磁场与微波技术专业,导师崔铁军,2009.2.1。

[23] 张辉博士论文,“超常介质的电磁特性及其应用研究”,国防科技大学电子科学与技术专业,导师袁乃昌,2009年9月1日,百度文库,2012-08-21.

[24] 袁宇博士论文,“微波异向介质实验与应用研究”,浙江大学电子科学与技术专业,导师孔金瓯、冉立新,2006-05-01.

[25] 赖耘,等,“隐身材料”,超构材料的研究与应用专题,物理.V0L.41,no.19,589-594,2012. http://www.wuli.ac.cn. 道客巴巴文档,resome 2014-01-15 12:54 .

[26] Caloz C,Itoh T,“Application of the transmission line theory of left-handed[LH] materials to the realization of a microstrip LH transmission lion”,IEEE AP-S,Int. Symp., 2002,412-415.

[27] Eleftherialdes George V, et al,“Planar negative Refractive Index Media Using Periodically L-C Loaded Transmission Line”,[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002,50(12):2702-2712.

[28]“中国科学家首次制造人造电磁黑洞”,2013-12-19 09:27,百度网.

[29] 都世民,“美国NMD的几个为什么”,环球军事,2001年,N0.14,53-55.

[30] 都世民,“美国反导系统漏洞多多”,中国航天报,新军事文摘,2000-10-29.



作者:都世民    男,1940年3月生,安徽省桐城人。航天科工集团公司二院廿三所高级工程师。1963年毕业于哈尔滨工业大学无线电系雷达专业。自1973年至今,先后在国际学术刊物和学术会议文集上发表论文28篇,在国内学术刊物和学术会议文集上发表论文和科技报告80余篇。由他及与他人合作编著的著作10余部。1997年获中国专利宽频带平面微带天线。    

————————————————————————————————

来源:都世民的科学网博客

链接:http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-787135.html



X