CN104076924B - 一种组合式电磁隐身装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁技术领域，具体公开了一种用边界拼接技术设计的外部电磁隐身装置。包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的由1b核心区域和2b互补介质区域两个部分组成的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；本发明由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成；采用本发明边界拼接技术，可以截取任何形状的外部隐身斗蓬，并在截面边界上拼接其他区域，构成本发明所公布的组合式电磁隐身装置。本发明可以大大减小隐身装置的尺寸，节约成本和空间。本发明的设计组合式电磁隐身装置的方法，也可以应用到任意的外部电磁隐身装置的设计中。

Description

一种组合式电磁隐身装置

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，具体涉及一种组合式电磁隐身装置。

背景技术

1968年，前苏联物理学家V.G.Veselago首次提出当介电常数ε和磁导率μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间将构成左手关系。由于自然界中没有发现这种介质，所以他的研究结果在上个世纪一直没有得到实验验证，更没有得到深入的研究。1996年，J.B.Pendry等人在微波频段内设计实现了等效介电常数为负的周期排列的金属细线(Rod)阵列结构；1999年，Pendry等又提出用开路环谐振器(SRRs：Split Ring Resonators)实现等效磁导系数为负的介质。2000年，D.R.Smith等人根据Pendry的理论模型，将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，制成了世界第一例等效ε和μ同时为负的人工介质。2001年，他们将这一人工介质，印制在电路板上，实现了X波段的异向介质，并通过著名的“棱镜实验”，观察到了光线的负折射现象，首次从实验上证明了异向介质的存在。

近年来，以异向介质为代表的新型人工电磁材料成为国际上一个研究的热点，这种人工材料具有奇特的电磁特性。其中英文名称有很多，左手介质(LHM：Left-HandedMaterial)；后向波介质(BW medium：Backward-Wave medium)，双负介质(DNG：Double-Negative media)；负折射率介质(NRI：Negative Refractive Index Material)；人工复合材料(CMM：Composite Metamaterial)等，美国麻省理工学院孔金瓯(J.A.Kong)教授详细研究了电磁波在这类介质中的特性，建议其名称为异向介质(Metamaterials)，国内学者称为超颖材料，以突出电磁波在这种介质中传播时所表现出的不同于传统介质的各种逆向与奇异特性。

随着超颖材料研究的不断深入，完美隐形这一天方夜谭有可能变成有物理依据的事实。利用超颖材料实现完美隐形将成为新一代的隐形技术。隐形(隐身)技术也称低可探测技术，是通过降低目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。目前各国的隐身技术主要是使用各种吸波、透波材料实现对雷达的隐形。国内外的吸波材料还存在频带窄、效率低等缺点，使其应用范围受到一定的限制。传统的隐形技术并不能达到严格意义上的完美隐形。

2006年7月，J.B.Pendry，D.Schurig和D.R.Smith在《Science》杂志提出将一个介质的介电常数和磁导率设计成空间的函数，我们可以控制电磁波在介质中的行进路径，这就是著名的“控制电磁场”理论。既然可以控制电磁波的传播路径，我们可以把介质作成空腔结构，当电磁波遇到这个介质时，会从介质的空腔周围绕过，而无法进入空腔内部，因此当有物体放置在这个空腔内部时，将不被外界观察到。同年D.R.Smith，J.B.Pendry等人基于人工电磁材料在微波频段设计，制作了二维圆柱形隐身斗篷，并进行了相应的实验验证。至此隐形斗篷不仅从理论上获得支持，在实验上也得到了证实。

超颖材料为隐形斗篷的理论设计和实验实现提供了有力的保证.作为近年来的重大科技进展，隐形斗篷的理论研究和实验引起了很多科研工作者的关注.隐形斗篷目的是让电磁波传播的时候绕过一个特定的区域，即光线按照特定的路线进行曲线传播.光线的弯曲，除了可在由质量引起的弯曲空间中产生，也可以在非均匀电磁介质中得到，比如海市蜃楼就是源于非均匀空气层引起的光线弯曲。

设计隐身斗篷时，人们可以根据对电磁波的具体调控需要来构建空间映射,然后寻找能够实现空间映射的坐标变换,再由坐标变换计算出变换媒质，电磁波在这样设计出的变换媒质中将会按照人们预先设定的方式进行传播。变换光学方法成功地解决了完美电磁隐身斗篷的理论设计问题。所谓变换光学，它从Minkowski形式的麦克斯韦方程出发,按照人们所想要的任意方式,通过坐标变换使电磁波和能量在空间中以变换空间所表示的方式传播。这个时候改变的不是原始的笛卡尔平直坐标系而是空间介质的参数ε和μ,这样,我们就能让电磁波按照我们所设想的方式传播。由于做了坐标变换,几乎在空间每一点的ε和μ都有独立的值,这种材料在自然界是得不到的,所以在很长一段时间内这仅仅是数学变换而没法在物理上实现。事实上,早在1961年,Dolin就曾提出过这样的设想。但是,随着超颖材料的出现,直到2006年,人们才看到变换光学成为现实的可能性。超颖材料拓宽了介电常数和磁导率的范围,甚至可以得到双负材料。

目前世界上有多个研究小组开始致力于这方面的理论和实验研究。2007年A.Nicolet研究小组，根据J.B.Pendry的理论，并利用特殊的计算模型证明了当光以波形式传播时，近距离的物体也可以变得隐形。浙大小组，J.A.Kong等人从精确的电磁散射理论出发，对隐身斗篷的物理特性做了更细致的分析，研究了不同背景材料中(渐变介质，分层介质)圆柱斗篷的隐形特性。随后应用坐标变换，椭圆截面，正方形截面等不同形状斗篷分别被提出，这异向介质电磁传输特性及其在隐形斗篷应用的研究在一定程度上降低了斗篷结构的对称性。2008年，任意截面的电磁斗篷已有相关报道，这为电磁斗篷设计的灵活性提供了理论基础。

然而这种电磁斗篷还存在一个问题，就是在电磁斗篷的内部会形成盲区，即外部的光不能穿透一个完美隐形的斗篷，物体也无法观察到外界。

为了解决这个问题，上海交通大学与香港科技大学研究组合作，在2008年9月提出了反隐形斗篷理论，其原理是利用坐标变换设计出各向异性负折射率材料，且材料的阻抗与隐形斗篷的正折射率相匹配。当一件隐形斗篷让物体周围的光线弯曲的时候，接触到反隐形斗蓬的任何区域将让一些光线回到原来的状态，从而让它可见。通过让一层反隐形斗蓬材料与隐形斗篷接触，这可以让隐藏在电磁斗篷内的物体观察到外界。

近期赖云等人将变换光学与补偿介质相结合，开辟了异向介质应用在隐形斗篷的新的分支。

2008年10月，马红孺等人，利用异向介质的负折射和相位补偿特性，实现物体的超级散射，即散射截面大于物体本身的几何截面。

2009年11月，来自香港科技大学的赖云，陈焕阳等人根据坐标变换和相位补偿理论，设计出一种新型的斗篷，称之为互补介质斗篷，给这个新的分支带来了重大突破。这种互补介质斗篷理论上能够隐藏一个三维物体，突破了一维的局限。并且使斗篷外的目标实现隐形，正由于目标在斗篷外，它弥补了在传统电磁斗篷中目标与周围环境隔绝的缺点，使用互补介质斗篷可以使目标观测到外界而不被外界所觉察，这开创了隐形的新思路。唯一不足的是，这种斗篷依赖隐藏目标材料和形状。斗篷和目标形成一体，如果目标改变了，斗篷也得做相应的改变。赖云等人提出的互补介质斗篷是一个横截面为圆形的分层圆柱形斗篷。如图1所示，图1(a)最中间的核心圆称为核心区域，是对整个变换空间的压缩，也是用去产生幻觉物体的区域。核心圆外的圆环是互补介质区域，镶嵌在此区域的镜像物体可以隐身外部空气区域的目标物体。如图1(b)所示，互补介质区域中所示的月牙形镜像物体可以隐身外部空气区域中的目标物体。但是这种圆柱形互补介质隐身斗篷的隐身不具有定向性，在隐身定向目标物体的情况下，这种斗篷只有一小部分区域起到了作用，而剩下大部分的空间都没有起到任何作用，这就造成了材料和成本的浪费，且没有起到作用的装置部分占用了较大的空间，影响了装置尺寸的小型化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术设计的电磁隐身装置无方向性和尺寸较大的缺陷，提出一种采用边界拼接技术来设计的，具有较小尺寸和方向性的组合式电磁隐身装置。

为此，本发明提供了一种组合式电磁隐身装置，包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的部分核心区域1b和部分互补介质区域2b组成的横截面为扇形的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；所述组合式电磁隐身装置由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成，所述1a核心区域和1c核心区域是横截面为三角形的三棱柱，且1a和1c的几何尺寸相同；

所述1a核心区域和1c核心区域长度相同的两个侧面AO和A’O分别与1b核心区域扇形柱的两侧面相接，1a区域AO面与DO面的夹角为角1；1c区域A’O面与D’O面的夹角为角2；1b区域AO面与A’O面的夹角为角2θ；角1、角2和角2θ这三个角的角度和为180°；所述2a互补介质区域和2c互补介质区域是横截面为三角形的三棱柱，且2a和2c的几何尺寸相同，2b互补介质区域为横截面是部分圆环的柱体，该环所对应的圆心角为2θ，环的内弧与1b核心区域扇形的弧相同且相接；

所述2a互补介质区域的AB面与2b互补介质区域的AB面重合相接,2c互补介质区域的A’B’面与2b互补介质区域的A’B’面重合相接；2a互补介质区域的AD面与1a核心区域的AD面重合相接,2c互补介质区域的A’D’面与1c核心区域的A’D’面重合相接；2a互补介质区域的BD面与1a核心区域的OD面垂直；2c互补介质区域的B’D’面与1c核心区域的OD’面垂直；

1a核心区域与2a互补介质区域拼接后组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，同样1c核心区域与2c互补介质区域拼接后也组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，由于1a与2a、1c与2c分别具有相同的几何尺寸，故其用相同的方式组合后的结构也具有相同的几何尺寸；1b核心区域与2b互补介质区域组合成一个中心角为2θ的扇形柱，1b核心区域的弧面与2b互补介质区域的内弧面重合拼接；

所述组合式电磁隐身装置的横截面由三条直线段和一条圆弧线所围成。

上述的各个核心区域以及互补介质区域的材料由六个具有不同材料参数的，具有各向异性性质的超颖材料制成，所述组合式电磁隐身装置沿轴线方向上具有相同的材料参数。

上述的各个核心区域以及互补介质区域具体的材料参数利用坐标变换的原理计算得到，对于1b核心区域与2b互补介质区域，在极坐标系下表示其坐标变换，对于1a、1c核心区域以及2a、2c互补介质区域，均在直角坐标系下表示；

1a、1b、1c核心区域以及2a、2b、2c互补介质区域的材料参数可以用如下式(1)和式(2)求得：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ) (1)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ) (2)

其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε'和μ'分别是所计算区域的介电常数和磁导率，T代表给矩阵做转置运算，det为求矩阵的绝对值，Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：

其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系，i代表矩阵中的行，j代表矩阵中的列；

若知道坐标变化先后所对应区域之间的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；

1a核心区域材料参数的具体计算过程：

设区域4a压缩到1a的变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝ax+by+c

y'＝dx+ey+f

其中，x，y分别为进行坐标变换前的横坐标与纵坐标，x’，y’分别为进行坐标变换后新的横坐标与纵坐标；

对于这样三角形的压缩变换，可以看做将原空间的三个点O、A、D映射到三个点O、C、D，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出对应的待定系数a、b、c、d、e和f；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式，计算坐标变化后区域材料的介电常数ε'和磁导率μ'：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得1a区域的相对介电常数ε'_相对和相对磁导率μ'_相对：

材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系如下：

ε′＝ε′_r相对·ε′₀，μ＝μ′_r相对·μ₀

其中Λ是雅克比矩阵，p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系，ε₀和μ₀分别是空气的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米)；

2a互补介质区域材料参数的具体计算过程：

假设3a空气区域到2a互补介质的折叠变换的坐标变换方程表示为：

x'＝ax+by+c

y'＝dx+ey+f

其中，x，y分别为进行坐标变换前的横坐标与纵坐标，x’，y’分别为进行坐标变换后新的横坐标与纵坐标；

对这样的两个三角形区域之间的变换，实际上可以看做是将点C,B和D分别映射到另外三个点A,B和D，将这些映射点带入上述坐标变换方程，求出对应待定系数a、b、c、d、e和f；即可得到相应的雅克比矩阵，区域2a的相对介电常数ε’_相对和相对磁导率μ’_相对求得为：

再由ε'＝ε′_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀即可得到区域2a的具体材料参数；

1b核心区域材料参数的具体计算过程：

1b区域是截取的现有的圆柱形互补隐身装置的一部分，1b区域的材料参数与圆柱形互补隐身装置材料参数相同，其坐标变换公式在圆柱坐标系下表示为：

θ＝θ"

z＝z"

其中，r，θ,z分别为进行坐标变换前圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标，r"，θ",z"分别为进行坐标变换后圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标；Ra的大小为1b核心区域扇形半径，Rc的大小为3b外部空气区域环形的外环的半径，Ra和Rc为已知值，由设计的1b核心区域、3b大小外部空气区域的大小确定；

利用类似1a，2a区域的计算过程，1b区域的相对介电常数和相对磁导率表示为：

ε"_r相对＝μ"_r相对＝1

ε"_θ相对＝μ"_θ相对＝1

ε"_z相对＝μ"_z相对＝(Rc/Ra)²

再由ε'＝ε′_r相对·ε₀，μ'＝μ′_r相对·μ₀即可得到区域1b的具体材料参数；

2b互补介质区域材料参数的具体计算过程：

对外部空气区域3b到2b互补介质区域的折叠变换，设其在极坐标下的坐标变换满足如下式方程：

r＝kr'+m

θ＝θ'

z＝z'

其中，r，θ,z分别为进行坐标变换前圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标，r'，θ',z'分别为进行坐标变换后圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标；k和m是待定系数，可以求得：

相应的，可以求得2b区域的相对介电常数和相对磁导率为：

由ε'＝ε'_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀可得到区域2b的具体材料参数；

1c核心区域和2c互补介质区域的介电常数与磁导率计算方法分别与1a和2a相同；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需人工超颖材料，该人工超颖材料的介电常数为ε，磁导率为μ的。

上述组合式电磁隐身装置的工作电磁波的波长与装置尺寸相近。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明在赖云等人提出的圆柱形互补介质隐身斗篷的基础上，对其进行定向性设计和尺寸上的小型化设计，对圆柱形的互补介质隐身斗篷，在横截面方向上截取中心角为2θ的扇形柱部分，此时被截取的扇形柱比原来的圆柱尺寸变小，为了满足其边界上的连续和能够实现幻觉与定向性隐身，组合添加4个不同材料的三棱柱在扇形的截面上，从而构成本发明的组合式电磁隐身装置；本发明的组合式电磁隐身装置具有隐身定向性，即隐身某一位置的目标物体，同时又具有隐身效果的全向性，即无论电磁波沿着次装置横截面的哪个方向入射，都具有很好的隐身效果；本发明的组合式隐身装置同时也具有定向性产生幻觉装置的功能；由于本发明的组合式隐身装置是对圆柱形隐身装置的截取和再次组合，其物理尺寸比圆柱形隐身装置小了一半，除了本发明中提出的尺寸，改变θ角和三角形拼接棱柱的尺寸，可以进一步减小隐身装置的尺寸，装置的小型化具有重要的现实意义。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是赖云、陈焕阳等人提出的圆柱形互补介质隐身斗篷的横截面结构示意图及隐身物体时的示意图；图1(a)是此圆柱形互补介质隐身斗篷的横截面结构示意图；图1(b)是此圆柱形互补介质隐身斗篷隐身空气中横截面为月牙形目标物体时的结构示意图；

图2是本发明的组合式电磁隐身装置的横截面结构示意图；

图3是本发明的隐身装置坐标变换的整个空间的结构示意图；

图4是本发明在电磁场下的电磁仿真图；

图5是本发明的隐身效果图；图5(a)隐身横截面为圆形的物体的效果图；图5(b)是隐身横截面为矩形的物体的效果图；图5(c)是隐身横截面为为部分环形的物体的效果图；图5(d)是同时隐身横截面为圆形和矩形物体的效果图；图5(e)是同时隐身横截面为圆形、矩形和部分环形三个物体的效果图；

图6是空气中放置一个圆柱形物体时的电磁仿真效果图；

图7是用本发明产生等效的幻觉圆柱的电磁仿真效果图。

具体实施方式

本发明所设计的电磁隐身装置对实现隐身效果所要求的工作频率，限制其频率所对应的波长与本发明的隐身装置几何尺寸相近。

本发明所设计的组合式电磁隐身装是对于垂直于柱形轴的任意方向入射的电磁波，都具有隐身效果；本发明所设计的电磁隐身装置与传统的圆柱形隐身装置相比，可以隐身确定方向上的目标物体，即具有定向性。

物体的材料参数包括介电常数ε和磁导率μ，本发明设计的电磁装置是由各向异性的超颖材料构成；本发明的组合式隐身装置整体横截面是一个三边为直线段，一边为圆弧的近矩形柱体，沿轴线方向上具有相同的材料参数；

本发明的组合式隐身装置主要包括三个核心区域和三个互补介质区域，1a核心区域是横截面为三角形的三棱柱，1b核心区域是横截面为夹角2θ的扇形柱，1c核心区域是与1a核心区域相同的三棱柱；

上面所述的1a核心区域与1c核心区域具有相同的几何尺寸，这两个核心区域对应相同的一个侧面分别与1b核心区域扇形的两侧面相接，相接后夹角为2θ的扇形就被扩展为180°的柱体；

2a互补介质区域为横截面是三角形的三棱柱，2b互补介质区域为横截面是部分圆环的柱体，该环所对应的圆心角为2θ，环的内弧与第二个核心区域扇形的弧相同，2c互补介质区域是与2a互补介质区域相同的三棱柱；

类似于三个核心区域的拼接，三个互补介质区域也组合在一起，在环形柱体2b的两侧面拼接两个三棱柱2a和2c；

三个核心区域组合后的装置与三个互补介质区域组合后的装置拼接组合成最后的本发明的组合式隐身装置，1a核心区域与2a互补介质区域组合拼接后形成一个横截面为直角三角形的三棱柱，同理1c核心区域与2c互补介质区域拼接组合成尺寸相同的直角三棱柱，1b核心区域与2b互补介质区域组合成一个中心角为2θ且径向更大的扇形柱，1b核心区域的扇形弧与2b互补介质区域的内环完全的重合拼接；

本发明中的整个组合式电磁隐身装置一共由六个具有不同材料参数的柱形拼接组合而成，每个区域都具有不同的介电常数与磁导率，且其材料参数是具有各向异性的性质，需要用人工电磁材料，即超颖材料实现；

核心区域将整个变换空间的电磁场压缩且储存在其中，因此相反的在核心区域中镶嵌物体可以在整个变换区间产生另一个较大尺寸的具有不同介电常数、磁导率的等效幻觉物体；

互补介质区域是对有限的外界空气区域进行的折叠变换，因而互补介质区域用来隐藏外界空气区域中的目标物体，这种用互补介质区域隐藏目标物体的方法，需要在互补介质区域镶嵌特定的镜像物体，才能实现隐身的效果；

本发明的六个超颖材料的子区域具体的材料参数需利用坐标变换的原理计算得到，由于1b核心区域与2b互补介质区域的横截面是扇形和部分环形，所以用极坐标表示其坐标变换比较简单明了，而对于几个三棱柱的1a、1c核心区域与2a、2c互补介质区域，用直角坐标系表示较简洁；

某一区域的材料参数可以用如下式(1)和式(2)求得：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ) (1)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ) (2)

其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε’和μ’是所计算区域的介电常数和磁导率，Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：

其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系；

若知道坐标变换前后两个区域实施变换的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需ε和μ的人工超颖材料；

如图2所示，1a、1b和1c均为核心区域，总称为区域1，2a、2b和2c均为互补介质区域，总称为区域2，3a，3b和3c均为外界空气区域，总成为区域3,外界空气区域不是本隐身装置的组成部分，整个组合式电磁隐身斗篷由图中实线所绘区域组成。

从组成方式上来看，1b和2b是截取的圆柱形互补介质隐身斗篷的部分区域，1a和2a组成的区域是拼接在扇形截面上的拼接区域，同理由1c和2c组成的区域拼接在扇形的另一个截面上。

如图2所示，本组合式电磁隐身装置详细的拼接关系为：其包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的部分核心区域1b和部分互补介质区域2b组成的横截面为扇形的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；本组合式电磁隐身装置由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成，1a核心区域和1c核心区域是横截面为三角形的三棱柱，且1a和1c的几何尺寸相同；

1a核心区域和1c核心区域对应相同的一个侧面分别与1b核心区域扇形柱的两侧面相接，且1a的角1和1c的角2与1b的2θ三个角的角度和为180°；2a互补介质区域和2c互补介质区域是横截面为三角形的三棱柱，且2a和2c的几何尺寸相同，2b互补介质区域为横截面是部分圆环的柱体，该环所对应的圆心角为2θ，环的内弧与1b核心区域扇形的弧相同且相接；

2a互补介质区域和2c互补介质区域对应相同的一个侧面分别与2b互补介质区域的两个平面侧面相接，且2a的AD边对应的侧面和1a的AD边对应的侧面相接，2c的A’D’面与和1c的A’D’面相接；2a截面的BD边与1a截面的OD边垂直；2c截面的B’D’边与1c截面的OD’边垂直；

1a核心区域与2a互补介质区域拼接后组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，同样1c核心区域与2c互补介质区域拼接后也组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，由于1a与2a、1c与2c分别具有相同的几何尺寸，故其用相同的方式组合后的装置也具有相同的几何尺寸；1b核心区域与2b互补介质区域组合成一个中心角为2θ的扇形柱，1b核心区域的弧面与2b互补介质区域的内弧面重合拼接；

本组合式电磁隐身装置的横截面由三条直线段和一条圆弧线所围成。

由于计算材料时，区域a与c易于在直角坐标系下计算，而区域b易于在极坐标系下计算，因而我们将其分开来说明。

对2b互补介质区域的材料参数，设其在极坐标下的坐标变换满足如下式(4)方程：

r＝kr'+m

θ＝θ'

z＝z' (4)

其中k和m是待定系数，3b到2b的折叠变换中见图2所示，可以求得：

利用式(1)-(3)可以求得2b区域的相对介电常数和相对磁导率为：

1b核心区域的材料参数可以通过压缩图3中的4b区域得到，其坐标变换方程表示为式(6)：

θ＝θ"

z＝z" (6)

其相对介电常数和相对磁导率：

ε"_r相对＝μ"_r相对＝1

ε"_θ相对＝μ"_θ相对＝1

ε"_z相对＝μ"_z相对＝(Rc/Ra)² (7)

再由材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系ε'＝ε'_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀求出其具体的材料值，ε₀和μ₀分别是空气的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米)；

对于由区域1a和2a组成的拼接三角形区域，如图2所示的四个点坐标表示为：A(Ra·cos(θ),Ra·sin(θ)),B(Rb·cos(θ),Rb·sin(θ)),C(Rc·cos(θ),Rc·sin(θ))和D(0,Rb·sin(θ))。2a互补介质区域是对空气介质区域3a进行一个折叠变换得到，在直角坐标系下其坐标变换方程可以表示为：

x'＝ax+by+c

y'＝dx+ey+f (8)

上述折叠变换使三个点C,B和D分别映射到三点A,B和D，将此映射代入变换式(8)求得互补介质区域2a的相对介电常数和相对磁导率如式(9)所示：

其中，a＝1,d＝0,根据材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系ε'＝ε′_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀求出其具体的材料值；

压缩图3中的区域4a到图2中的1a核心区域的压缩变换可以求得1a区域的材料参数，对应的分别映射三个点C,O和D到另外三个点A,O和D区域1a的相对介电常数和相对磁导率表示为式(10)：

其中，b＝0,e＝1，根据材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系ε'＝ε'_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀求出其具体的材料值；

1c核心区域和2c互补介质区域的材料参数可以用类似1a与2a的方法求得，其中：A’(Ra·cos(-θ),Ra·sin(-θ)),B’(Rb·cos(-θ),Rb·sin(-θ)),C’(Rc·cos(-θ),Rc·sin(-θ))和D’(0,Rb·sin(-θ))。

为了隐身外界空气区域的目标物体，需要在互补介质区域镶嵌相应的镜像物体，镜像物体的尺寸可以通过空气区域到互补介质区域的坐标变换方程计算得到，而镜像物体的材料参数，则同样利用式(1)和(2)求得，此时式中ε和μ是被隐身物体的的介电常数和磁导率。

图2实线所示为本发明的组合式电磁隐身装置横截面的结构示意图。虽然1a、2a、3a，1b、2b、3b和1c、2c、3c分别都具有其核心区域、互补介质区域和外部空气区域，但是单独的由1a，2a或者1c，2c组成的三角形区域，虽然具备了核心区域与互补介质区域，也并不具有隐身效果，而从现有的圆柱形互补介质隐身装置截取下来的1b和2b组成的扇形柱也不能单独实现隐身的功能，只有将这两个三角形装置与该扇形装置如图2组合在一起，才能达到定向性隐身与幻觉的功能。其中互补介质区域2a，2b和2c用来隐身空气区域3a，3b，3c的目标物体，值得注意的是，对于被隐身的目标物体，需要在相应的互补介质区域镶嵌相应的镜像物体(即反物体)以达到隐身的效果。核心介质区域1a，1b和1c是这个整个变换区域的场的储存，在其中镶嵌某物体将会在整个变换区域产生幻觉物体。

图4为本发明在电磁波下的电磁仿真效果图，电磁场从左向右传播。

图5是本发明的隐身效果图；其中图5(a)是隐身横截面为圆形物体效果图；图5(b)是隐身横截面为矩形物体效果图；图5(c)是隐身横截面为部分环形物体效果图；图5(d)是同时隐身横截面为圆形和矩形物体效果图；图5(e)是同时隐身横截面为圆形、矩形和部分环形物体效果图。这三个目标物体具有不同的形状和材料参数，可以看到平面电磁波从左边入射，穿过组合式电磁隐身装置和被隐身物体，在右边仍然是平面波，没有电磁场的变化，在外部观察者看来，目标物体和隐身装置都是不可见的，即达到了隐身效果。

图6是空气中放置一个圆柱形物体时的电磁仿真效果图；图7是用本发明产生等效的幻觉圆柱的电磁仿真效果图。对比可见两幅图具有相似的电磁场分布，即验证了本发明装置具有产生幻觉物体的功能，即实现了幻觉效果。

图1是赖云、陈焕阳等人提出的圆柱形互补介质隐身斗篷的横截面结构示意图及隐身物体时的示意图，本发明在赖云等人提出的圆柱形互补介质隐身斗篷的基础上，对其进行定向性设计和尺寸上的小型化设计，对圆柱形的互补介质隐身斗篷，在横截面方向上截取中心角为2θ的扇形柱部分，此时被截取的扇形柱比原来的圆柱尺寸变小，为了满足其边界上的连续和能够实现幻觉与定向性隐身，组合添加4个不同材料的三棱柱在扇形的截面上，从而构成本发明的组合式电磁隐身装置；本发明的组合式电磁隐身装置具有隐身定向性，即隐身某一位置的目标物体，同时又具有隐身效果的全向性，即无论电磁波沿着哪个方向入射，都具有很好的隐身效果；本发明的组合式隐身装置同时也具有定向性产生幻觉装置的功能；由于本发明的组合式隐身装置是对圆柱形隐身装置的截取和再次组合，其物理尺寸比圆柱形隐身装置小了一半，除了本发明中提出的尺寸，改变θ角和三角形拼接棱柱的尺寸，可以进一步减小隐身装置的尺寸，装置的小型化具有重要的现实意义。

本发明的边界拼接技术用于隐身实物的电磁装置，这种电磁装置具有区域组合拼接的拓扑结构，每个区域又同时具有对应的互补媒质层和核心媒质层(隐身发生层和电磁波集中层)。所述组合式电磁隐身装置在现有的外部隐身装置的基础上，任意截取其装置的一部分，与具有特定材料参数的其他拓扑结构组合在一起，组合后的隐身装置相比现有的外部隐身装置具有较小的几何尺寸，且可以隐身特定方向上的目标物体，即隐身具有了方向性。

本发明结构简单，装置的材料参数具有各向异性的性质。采用拼接边界区域技术，不仅可以用于设计本发明中作为示例的圆柱形外部隐身装置，也可以用于其他任意形状的外部隐身装置，在不影响隐身效果的前提下，能够大大缩小隐身装置的尺寸，节约成本和空间，并且使得隐身具有了方向性的特点，不再是无目的的全向隐身。

本发明所使用的外部拼接区域是具有任意形状的三角形区域，除本发明装置提出的三角形，也可采用其他形状来构造组合式电磁隐身装置。

本发明除了具有隐身目标物体的作用，同时还能用于产生幻觉物体。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的部分核心区域1b和部分互补介质区域2b组成的横截面为扇形的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；所述组合式电磁隐身装置由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成，所述1a核心区域和1c核心区域是横截面为三角形的三棱柱，且1a和1c的几何尺寸相同；

所述1a核心区域和1c核心区域长度相同的两个侧面AO和A’O分别与1b核心区域扇形柱的两侧面相接，1a区域AO面与DO面的夹角为角1；1c区域A’O面与D’O面的夹角为角2；1b区域AO面与A’O面的夹角为角2θ；角1、角2和角2θ这三个角的角度和为180°；所述2a互补介质区域和2c互补介质区域是横截面为三角形的三棱柱，且2a和2c的几何尺寸相同，2b互补介质区域为横截面是部分圆环的柱体，该环所对应的圆心角为2θ，环的内弧与1b核心区域扇形的弧相同且相接；

所述2a互补介质区域的AB面与2b互补介质区域的AB面重合相接,2c互补介质区域的A’B’面与2b互补介质区域的A’B’面重合相接；2a互补介质区域的AD面与1a核心区域的AD面重合相接,2c互补介质区域的A’D’面与1c核心区域的A’D’面重合相接；2a互补介质区域的BD面与1a核心区域的OD面垂直；2c互补介质区域的B’D’面与1c核心区域的OD’面垂直；

1a核心区域与2a互补介质区域拼接后组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，同样1c核心区域与2c互补介质区域拼接后也组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，由于1a与2a、1c与2c分别具有相同的几何尺寸，故其用相同的方式组合后的结构也具有相同的几何尺寸；1b核心区域与2b互补介质区域组合成一个中心角为2θ的扇形柱，1b核心区域的弧面与2b互补介质区域的内弧面重合拼接；

所述组合式电磁隐身装置的横截面由三条直线段和一条圆弧线所围成。

2.如权利要求1所述的一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：所述的各个核心区域以及互补介质区域的材料由六个具有不同材料参数的，具有各向异性性质的超颖材料制成，所述组合式电磁隐身装置沿轴线方向上具有相同的材料参数。

3.如权利要求2所述的一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：所述的各个核心区域以及互补介质区域具体的材料参数利用坐标变换的原理计算得到，对于1b核心区域与2b互补介质区域，在极坐标系下表示其坐标变换，对于1a、1c核心区域以及2a、2c互补介质区域，均在直角坐标系下表示；

1a、1b、1c核心区域以及2a、2b、2c互补介质区域的材料参数可以用如下式(1)和式(2)求得：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ) (1)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ) (2)

其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε'和μ'分别是所计算区域的介电常数和磁导率，T代表给矩阵做转置运算，det为求矩阵的绝对值，Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：

${\mathrm{\Λ}}_{ij}=\∂{p^{\′}}_i/\∂p_j---\left(3\right)$

其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系，i代表矩阵中的行，j代表矩阵中的列；

若知道坐标变化先后所对应区域之间的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；

1a核心区域材料参数的具体计算过程：

设区域4a压缩到1a的变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：

x'＝ax+by+c

y'＝dx+ey+f

其中，x，y分别为进行坐标变换前的横坐标与纵坐标，x’，y’分别为进行坐标变换后新的横坐标与纵坐标；

对于这样三角形的压缩变换，可以看做将原空间的三个点O、A、D映射到三个点O、C、D，将对应变换的几个点的坐标带入上式中，即可求出对应的待定系数a、b、c、d、e和f；

再由雅克比矩阵的计算公式计算得到其对应的雅克比矩阵，带入下面公式，计算坐标变化后区域材料的介电常数ε'和磁导率μ'：

ε'＝ΛεΛ^T/det(Λ)

μ'＝ΛμΛ^T/det(Λ)

即可求得1a区域的相对介电常数ε'_相对和相对磁导率μ'_相对：

材料的介电常数、磁导率与相对介电常数和相对磁导率的关系如下：

ε′＝ε′_r相对·ε₀，μ′＝μ′_r相对·μ₀

其中Λ是雅克比矩阵，p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系，ε₀和μ₀分别是空气的介电常数与磁导率，ε₀＝1/(36·π)·10^-9(法拉/米)，μ₀＝4·π·10^-7(亨利/米)；

2a互补介质区域材料参数的具体计算过程：

假设3a空气区域到2a互补介质的折叠变换的坐标变换方程表示为：

x'＝ax+by+c

y'＝dx+ey+f

其中，x，y分别为进行坐标变换前的横坐标与纵坐标，x’，y’分别为进行坐标变换后新的横坐标与纵坐标；

对这样的两个三角形区域之间的变换，实际上可以看做是将点C,B和D分别映射到另外三个点A,B和D，将这些映射点带入上述坐标变换方程，求出对应待定系数a、b、c、d、e和f；即可得到相应的雅克比矩阵，区域2a的相对介电常数ε’_相对和相对磁导率μ’_相对求得为：

再由ε'＝ε′_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀即可得到区域2a的具体材料参数；

1b核心区域材料参数的具体计算过程：

1b区域是截取的现有的圆柱形互补隐身装置的一部分，1b区域的材料参数与圆柱形互补隐身装置材料参数相同，其坐标变换公式在圆柱坐标系下表示为：

$r=\frac{Rc}{Ra}{r}^{\′\′}$

θ＝θ"

z＝z"

其中，r，θ,z分别为进行坐标变换前圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标，r"，θ",z"分别为进行坐标变换后圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标；Ra的大小为1b核心区域扇形半径，Rc的大小为3b外部空气区域环形的外环的半径，Ra和Rc为已知值，由设计的1b核心区域、3b大小外部空气区域的大小确定；

利用类似1a，2a区域的计算过程，1b区域的相对介电常数和相对磁导率表示为：

ε"_r相对＝μ"_r相对＝1

ε"_θ相对＝μ"_θ相对＝1

ε"_z相对＝μ"_z相对＝(Rc/Ra)²

再由ε'＝ε′_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀即可得到区域1b的具体材料参数；

2b互补介质区域材料参数的具体计算过程：

对外部空气区域3b到2b互补介质区域的折叠变换，设其在极坐标下的坐标变换满足如下式方程：

r＝kr'+m

θ＝θ'

z＝z'

其中，r，θ,z分别为进行坐标变换前圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标，r'，θ',z'分别为进行坐标变换后圆柱坐标系下的径像坐标、方位角坐标与纵坐标；k和m是待定系数，可以求得：

相应的，可以求得2b区域的相对介电常数和相对磁导率为：

由ε'＝ε'_r相对·ε₀，μ'＝μ'_r相对·μ₀可得到区域2b的具体材料参数；

1c核心区域和2c互补介质区域的介电常数与磁导率计算方法分别与1a和2a相同；

将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，即可构造出等效的所需人工超颖材料，该人工超颖材料的介电常数为ε，磁导率为μ的。

4.如权利要求1所述的一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：所述组合式电磁隐身装置的工作电磁波的波长与装置尺寸相近。