基于光学变换的电磁屏蔽方法研究

摘 要 本文提出了一种可以实现对大型供电设备所产生的电磁波进行电磁屏蔽的方法。此方法应用光学变换理论，对所产生电磁波的传播路径进行引导，以使其绕射过需要进行保护的物体，使其免于受到电磁波的照射，进而达到电磁屏蔽的目的。此种方法可以有效应用于大型供电设备及发电机组附近对相关人员及设备的有效电磁保护。

关键词 超材料；光学变换；电磁屏蔽

中图分类号O43 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）101-0132-02

0引言

大型供电设备及大型发电机组在运行中会产生强电磁辐射，这种辐射对一些精密仪器会产生噪声干扰影响其测试精度，甚至会对仪器产生致命的伤害，而强电磁场同样对附近的人员产生辐射，严重时会危害人员身体健康[1]。因此在一定区域内对这种电磁波进行屏蔽是非常重要的。需要应用一些相应的电磁屏蔽方法以有效阻止电磁辐射远离需要保护的辐射区域。目前，一些电磁屏蔽方法已相继被提出或已应用于工程领域，并且很多种吸波材料应运而生以阻止电磁波在保护区域中的传播[2，3]。同时一些金属屏蔽罩或结构也被大范围的用来进行对电磁波的反射或隔离。但是目前大多数的研究主要集中于对材料本身反射波或吸波特性上，而这些方法会受制于电磁辐射强度。在电磁辐射较弱时是适用的，当电磁辐射过于强烈时，这些屏蔽方法显得力不从心。如果能进行对电磁波传播路径的有效引导使其完全绕射过保护区域，那么这将是一种更有有效的保护被辐射区域的方法。

在一些情况下，保护区域是无法移动或者改变放置方式的，因此对此区域的电磁屏蔽保护是对其外部相应电磁特性材料搭建方式的设计。通过引入一些外部操作，在保护区域外部搭建一些电磁波路径引导结构，这样便会将电磁波以所需的传播方式引导远离保护区。这种对电磁波传播路径的引导可以由不同电磁特性材料的组合搭接来获得，而这些具有特殊性质的材料则可以由左手电磁超材料实现[4-6]。左手电磁超材料是一种同时具有负介电常数和负磁导率的等效材料。其于2002年由Smith和Pendry共同提出并通过实验获得[4]。在左手材料结构被实现后，他们又相继提出左手材料可以应用于光学变换理论中以实现坐标变换及完美电磁隐身[4]。受此启发，研究人员又陆续提出了旋转斗篷、超散射及超吸收斗篷等[5，6]。这些研究对于扩宽光学变换理论在电磁波路径引导中起到了重要的作用，同时人们发现，这种光学变换理论是不受电磁波强度的影响的。那么既然这种基于左手材料的光学变换理论可以进行电磁波传播路径的完美引导，这种路径引导方式便可应用于大型电厂、大型供电设备附近等的电磁屏蔽中，使其不受电磁辐射强度限制实现对一定区域的完美保护。

基于光学变换理论，本文提出了一种应用左手超材料进行电磁屏蔽的方法。我们使用左手材料对电磁波的传播路径进行控制，使其沿着我们所设定的路径进行传播，即达到电磁波的虚拟传播空间与实际物理传播空间的转换，进而绕射过需进行电磁波保护的区域，实现对此区域的电磁屏蔽。此种方法可以实现对不同尺寸保护区域的屏蔽，并给出了电磁特性参数的设计方法。这种电磁屏蔽方法可以应用于大型供电及发电场所的电磁屏蔽中，并且不受电磁辐射强度的限制。

1电磁波路径引导方法

对电磁传播路径的引导主要是等效的改变电磁波的传播空间，使其在物理传播空间中传播而产生所需的虚拟空间的传播效果。而对这种物理空间与虚拟空间的转换就是对电磁波不同的传播路径中材料特性的转换。那么我们可以通过控制电磁波传播过程中经过的材料的特性参数来实现对不同传播路径的控制。

电磁波路径引导的过程如图1。外部所产生的电磁波由左侧入射，我们将其设定为一束高斯平面波，表达为：exp（-（y/50[cm]）^2）。区域1和区域3为普通空气区域。保护区域位于区域3中。为更易于表现其对电磁波的响应效果，我们将其设置为完美电导体。区域2为所引入的空间变换区域，厚度为d。如果区域2为普通空气区域，那么当电磁波从左侧入射时，入射电磁波在保护区域处发生散射，保护区域受到电磁波照射，散射效果如图1（b）所示。

此时我们在区域2中引入一定特性的材料以实现对电磁波路径的偏移，使其绕射过保护区域。这种偏移是对波的实际物理传播路径的材料特性进行设计。在区域2中将入射电磁波由横向传播引导至向上侧发生偏移而绕过保护区域。在区域2中电磁波的物理传播空间（x’，y’，z’）和虚拟传播空间（x，y，z）的转换关系为

其中k为路径的弯折率，我们将其设置为1，那么最终电磁波的传播路径如图2所示。可以发现电磁波在区域2中材料的引导下发生了偏移，绕射过了保护区域，实现了对保护区域电磁屏蔽的目的。如果我们将k值变小，波的偏移程度会变小。因此对于不同尺寸的保护区域我们需应用不同的k值进行路径引导，以实现将电磁波绕射过保护区域的目的。

2电磁波路径引导组合方法

在上面所设计的路径引导方式的基础上对变换区域进行组合，那么便可以实现电磁波任意路径的引导。如图3所示，区域1、区域3和区域5为空气区域，我们将区域2和区域4中引入变化材料以使电磁波绕射过保护区域后仍能按照原路径传播。区域2和区域4中的空间变换关系如式（1），最终材料特性如式（5）。所不同的是区域2和区域4中正负相反。我们设定区域2中k=1，而区域4中k=-1。最终电磁波的传播路径如图3所示。可以发现入射电磁波完全绕射过了保护区域，并且在绕过此区域后仍然按照原路径传播。

3结论

针对于大型供电及发电场所的电磁辐射问题，本文提出了一种对于电磁波的电磁屏蔽方法，此方法不受电磁辐射强度的限制。其基于光学变换理论，将电磁波的物理传播空间和虚拟传播空间进行变换，实现了对电磁波的传播路径进行引导。我们对路径引导中应用到的超材料材料参数进行了计算，并分析了不同取值对传播路径的影响。最终实现了电磁波在保护区域外的绕射，达到了电磁屏蔽的目的

参考文献

[1]周志付，姜若婷，劳国强.电磁污染及其防护对策.电力环境保护，21（1）2005：60-62.

[2]E.Unal，A.Gokcen，and Y.Kutlu."Effective electromagnetic shielding，"Microwave Magazine，7（4）， IEEE，2006：48-54.

[3]M.Sonehara，S.Noguchi，T.Kurashina，T.Sato，K.Yamasawa，and Y.Miura."Development of an electromagnetic wave shielding textile by electroless Ni-Based alloy plating，" IEEE Transactions on Magnetics，45（10）.2009：4173-4175.

[4]J.B.Pendry，D.Schurig，D.R.Smith，“Controlling electromagnetic fields，”Science，312：1780-1782， Jun.2006.

[5]H.Chen，C.T.Chan，”Transformation media that rotate electromagnetic fields”Appl.Phys.Lett.90，241105，Jun.2007.

[6]X.Zang，C.Jiang，“Two-dimensional electromagnetic superscatterer and superabsorber.” Opt.Express，2010，18：6891-6899.