● 摘要
飞行器隐身技术逐渐成为现代战争中各种突防和打击手段中最有价值的战术措施，但随着飞行器隐身技术的迅猛发展，目前高性能的隐身战斗机必须具备多频谱、宽频带、全方位及更高水平的隐身能力来应对错综复杂的电磁威胁环境。但是由于传统隐身技术能力的局限和瓶颈，使我们不得不寻找创新性的非传统隐身技术来实现高隐身飞机的性能指标。通过改变材料结构上关键物理尺寸，可以人工复合出满足特定电磁参数要求的超材料，由于其人工可控性和具有超常规的电磁特性，使其在隐身技术、电子对抗技术等航空装备领域体现出巨大的发展空间和应用潜力，先后被美国《Science》杂志评为二十世纪前十年的世界科技十大进展。
雷达散射截面（radar cross section, RCS）的大小是定量衡量一架战斗机隐身性能的核心指标。本文将以Drude色散介质为超材料电磁模型，应用时域有限差分法（finite-difference time-domain, FDTD）为计算方法，来研究超材料涂层的电磁和隐身特性以及影响超材料涂层隐身性能的电磁参数优化问题，并基于坐标变换理论推导出完美隐身斗篷的电磁参数表达式，利用COMSOL Multiphysics对超材料涂层的隐身性能进行数值模拟。本文的主要研究内容如下：
（1）从时域有限差分法的概念出发，研究了以Drude介质为电磁模型的超材料FDTD算法的基本步骤，分析了解稳定性和色散性条件，研究了常见激励源的类型和平面波施加，推导了近-远场外推的公式，首次使用等量纲的FDTD和传统FDTD形式对两种常见吸收边界的吸收效果进行了数值模拟，并对影响完美匹配层（perfectly matched layer, PML）吸收效果的厚度和电磁参数进行了分析，总结了雷达散射截面的基本定义和二维和三维情况下的计算公式；利用MATLAB数值模拟了超材料的电磁特性，包括负折射、后向波、相位补偿、完美透镜等特性；通过与金属圆柱的精确解的对比验证了以Drude介质为电磁模型的FDTD算法的合理性，接着对比分析了覆盖有超材料涂层的金属圆柱与没有覆盖超材料涂层的金属圆柱的电磁散射特性，并对影响超材料涂层散射特性的电磁参数进行了优化。
（2）基于坐标变换原理对完美隐身斗篷进行了数值模拟，并定量计算了覆盖有超材料涂层金属圆柱和金属球的单双站RCS，以及在不同电导率下金属圆柱的电磁散射特性。
（3）编写激励源为时谐场与高斯脉冲的FDTD计算仿真程序，利用CATIA对三维目标进行几何建模，并用XFDTD进行网格剖分，然后分别分析了在两种激励源下的三维金属球的雷达散射截面，并与其精确解进行对比，验证了算法的可行性，然后分析计算了三维复杂目标的电磁散射特性。