比翱观察丨利用等离子超材料使飞机隐形

Electrofluidsystems的等离子体猎鹰级CoronaBat 1.11  
“等离子体是如何不让雷达看见飞机的”，最近，领英上Fermat图书馆的版主在如下图的笔记中问道。
 

等离子频率的ω_p的方程将其与电磁（EM）微波频率ω有关。ω>ω_p使飞机隐形，ω<ω_p则反射掉^[1]-[15]。

 

让我们看看电磁波在等离子体中的表现以及它与等离子体超材料的关系。当我们将相对介电常数ε_r的简化方程列出来时，我们可以更好地理解这个问题：

从该方程中可以得到三种可能的解：

当ω=ω_p，ε_r=1,（波能量被吸收）

当ω>ω_p，ε_r>1,（波在等离子体中传播）

当ω<ω_p，ε_r<1,（电磁波无法传播）

在第一种情况下，波能量被等离子体吸收，几乎或根本没有反射。

在的第二种情况下，波可以在等离子体中传播，因为电子不能完全抵消电磁波的电场。

 在的第三种情况下，等离子体的行为就像金属一样，具有抵消电磁波电场的自由电子。所以波能从等离子体反弹，并没有进入它。我们从电离层反射的无线电波和重新进入地球大气层的航天器的通信中断中了解到这种情况。 

然而，对于等离子体光子晶体等等离子体材料，存在反常吸收和负介电常数^{[2]，[10]，[13]}。图2显示了标准等离子体和等离子体的超材料差异。

图2 : Sakai等人^[13]给出的各种材料的ε-μ图（带有实验中的点数据点）。标准等离子体的磁导率为μ=1。对于等离子超材料，它是μ>1。

去年，我们可以从新闻中得知，日本将投资480亿美元开发新型的第六代F-X隐形战斗机，该战斗机将利用等离子体超材料处理等隐身问题。三菱重工将率先参与该项目，并与洛克希德 · 马丁公司、诺斯罗普 · 格鲁曼公司和BAE系统公司合作。

"超材料"F-X隐形战斗机
从相关文献中我们可以了解到，这些关于等离子体超材料和等离子体超材料的研究已于2007年在日本开始，由sakai osmau，taki sakaguchi，kunihide tachibana和他的同事负责，并得到了美国空军亚洲航空航天研究与发展办公室(AOARD)的部分支持: 这些科学家正在寻找功能性等离子体微阵列来控制10-100 GHz范围的电磁波^[1]。

任何读者都可以想象微等离子体MEMS制造的超材料和基于MEMS的等离子体的流控执行器之间的协同作用，如图3中显示的来自Electrofluidsystems(专注于开发具有创新等离子流量控制和新型等离子推进系统的人工智能群控制飞机和轻于空气的飞行器，用于未来的运输和ISR应用)的Coronabat 1.11等下一代无人机。

图3 : 等离子体猎鹰级别的CoronaBat1.11Electrofluidsystems重新定义了下一代具备集群能力、高度机动、高速的小型无人机系统，该系统采用双视频遥测系统、机载人工智能计算和等离子流控制系统进行实时监控。

基于MEMS的等离子体通常是具有负介电常数的“金属”，但由于周期性微结构和/或局域表面波激发效应，仍然可以显示异常或特殊的吸收行为。在这里，我们需要知道如何基于超材料子层和/或电磁激发产生类似等离子晶体的结构。在这方面，等离子体是最好的超材料，可以根据需要重新配置。似乎还有很多我们不知道，但将在未来几年中发现。例如，Sakai等人提到了手性结构、光子晶体和渗流结构^[1]。

 在同一年（2007年），当Sakai提出等离子体超材料问题时，来自马克斯·普朗克地外物理研究所，俄罗斯科学院和悉尼大学的科学家们发表了一篇令人惊奇的论文，关于在尘埃等离子体晶体中发现自组织的、类似DNA的双螺旋结构。图4：手性双螺旋结构可产生电压高达1 kV、电流高达0.3 a的微波等离子体超材料^[2]。 Sakai在2012年展示的其他结构是周期性穿孔金属板，用于在孔中产生等离子体^[2]，图5。在这里，空气动力学专家还可以考虑先进层流机翼上的吸力孔，其中嵌入了微米大小的电极，用于微等离子体超材料阵列。将标准等离子体转化为等离子体超矩阵的更复杂方法可能是基于先进的电磁学和复杂形式的（静电）波混频来生成受控的库仑团簇。大气等离子体通常包含灰尘和气溶胶粒子，它们是产生高度有序的等离子体晶体结构的关键元素，而无需任何固体壁超材料表面或亚层。在任何情况下，都可能存在无休止的几何和电磁变化和可能性。因此，限制只能由系统开发人员的洞察力和知识以及想象力和直觉设定。

 图5：穿孔金属板孔中的微波等离子体生成[2]。

2016年，日本的Bambina、Iwai、Miyagi和Sakai研究了金属单极天线周围等离子体层中的微波传播^[7]。等离子体配置天线作为接收器和发射器进行了测试。他们发现，当天线用作接收器时，周围的等离子体会弯曲电磁波。因此，他们经历了一种“看不见的掩蔽现象”，并提出了利用各向异性磁导率的等离子体层进行动态掩蔽^[7]。各向异性磁导率可以通过使用双裂环谐振器（DSRR）^[7]实现。这些有趣的实验也会让读者想起Nikola Tesla几乎被遗忘的放大发射机。2017年，Sakai、Yamaguchi、Bambina等人还表明，等离子体天线在空间和时间上呈现出周期性等离子体结构，这在标准金属天线中是不可能的^[8]。正如我们从非线性光学中所知道的那样，周期性结构将打开禁带并使非线性波传播。Sakai写道“（等离子体）超材料可以改变这种波传播的情况，为新的科学进化开辟道路”^[8]。他还讨论了“在慢微波中，在类电磁感应透明（EIT）区域内产生等离子体的可能性，这与量子物理学中预测和验证的EIT类似”^[8]。图6显示了等离子超材料的概念视图^[8]。

 图6：等离子体超材料的概念视图^[8]。

对于微等离子体阵列，频率范围高达太赫兹（THz）范围，并受到电子密度n_e的限制，在2.45 GHz时，n_e=7.4 x 10^10cm^^-3，在1太赫兹时将达到1.2 x 10^16 cm^^-3。Sakai写道，“如果我们将频率范围增加到可见光，则需要高强度激光或其他尚未开发的方法”^[8]。关于固体壁材料的制造，他写道，“自组织方法将成为在每个单元微结构中创建功能模式和排列单元的关键技术，以便形成具有足够尺寸的累积微结构以供实际使用”^[8]，并补充说“最近的研究表明，库仑晶体或尘埃等离子体中粒子的分布提供了空间周期性排列”^[8]。

参考文献

[1] Sakai, O.; Sakaguchi, T.; Naito, T.; Lee,D.-S.; Tachibana, K. (2007) Characteristics of Metamaterials Composed ofMicroplasma Arrays. Plasma Physics and Controlled Fusion 49 (128), B453 (11pp).

[2] Sakai, O.; Tachibana, K. (2012) Plasmas asMetamaterials: A Review. Plasma Sources Sci. Techn. 21, 013001 (18pp).

[3] Yang, Y.; Zhao, W.; Wang, W., Yi, X.; Ji, J.;Lin, X. (2013) Characteristics and Optimization of Radar Target with PlasmaCover. SPIE Proceedings of the 5th International Symposium on PhotoelectronicDetection and Imaging, Beijing, China, 2033263 (7pp).

[4] Malik, T. H.; Ahmed, S.; Syed, A. A.; Naqvi, Q.A. (2015) Study of the Effects of Eccentric Plasma Coating over MetamaterialCylinder. Progress in Electromagnetic Research M 44, pp. 139-148.

[5] Liu, C.-H.; Carrigan, P.; Kupczyk, B. J.;Xiang, X.; Behdad, M.; Scharer, J. E.; Booske, J. H. (2015) Metamaterials forRapidly Forming Large-Area Distributed Plasma Discharges for High-PowerMicrowave Applications. IEEE Trans. Plasma Sci. 43 (12), pp. 4099-4109.

[6] Kourtzanidis, K.; Pederson, D. M.; Raja, L. L.(2016) Electromagnetic Wave Energy Flow Control with a Tunable andReconfigurable Coupled Plasma Split-Ring Resonator Metamaterial: A Study ofBasic Conditions and Configurations. J. Appl. Physics 119, 204904 (10pp).

[7] Bambina, A.; Iwai, A.; Miyagi, S.; Sakai, O.(2016) Microwave Propagation in Plasma Layer Surrounding Metallic MonopoleAntenna. Proceedings of the 2016 10th European Conference on Antennas andPropagation (EuCAP), 16037907 (3pp).

[8] Sakai, O.; Yamaguchi, S.; Bambina, A.; Iwai,A.; Nakamura, Y.; Tamayama, Y.; Miyagi, S. (2017) Plasma Metamaterials asCloaking and Nonlinear Media. Plasma Physics and Controlled Fusion 59 (1),014042 (10pp).

[9] Tamayama, Y.; Sakai, O. (2017) MicroplasmaGeneration by Slow Microwave in an Electromagnetically InducedTransparency-like Metasurface. J. Appl. Phys. 121 (7), 073303 (6pp).

[10] Matlis, E. H.; Hoffman, A. J.; Neiswander, B.;Corke, T. C. (2017) Experiments on a Plasma-Based Metamaterial at MicrowaveFrequencies. AIAA-Paper 2017-1971, AIAA SciTech Forum, Grapevine, Florida.

[11] Naito, T.; Tanaka, T.; Fukuma, Y.; Sakai, O.(2017) Fundamental Study on Scattering Cancellation of Microwaves Using Plasma.Proceedings of 2017 IEEE Conference on Antenna Measurements and Applications(CAMA), Tsukuba, Japan, pp. 353-355.

[12] Sakai, O.; Iwai, A.; Omura, Y.; Iio, S.;Naito, T. (2018) Wave Propagation in and around Negative-dielectric-constantDischarge. Plasma. Phys. Plasmas 25, 031901.

[13] Sakai, O.; Iwai, A. (2019) FunctionalComposites of Discharge Plasmas and Solid Materials. Chapter 10 in SpringerSeries in Material Science, edited by Kazuaki, S. Electromagnetic Metamaterials287, pp. 151-167.

[14] Xu, C.; Wang, B.; Pang, Y.; Wang, J.; Yan, M.;Wang, W.; Wang, A.; Jiang, J.; Qu, S. (2019) Hybrid Metasurfaces forInfrared-Multiband Radar Stealth-Compatible Materials Applications. IEEE Access7, pp. 147586-147595.

[15] Iwai, A.; Righetti, F.; Wang, B.; Sakai, O.;Cappelli, M. A. (2020) A Tunable Double Negative Device Consisting of a PlasmaArray and a Negative-Permeabiliy Metamaterial. Phys. Plasmas 27 (2), 023511(6pp).

[16] Levchenko, I.; Xu, S.; Cherkun, O.; Baranov,O.; Bazaka, K. (2021) Plasma Meets Metamaterials: Three Ways to Advance SpaceMicropropulsion Systems. Advances in Physics: X 6 (1), 1834452 (28pp).

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