CN105823378B - 一种三维全极化的超表面隐身衣 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维全极化的超表面隐身衣。它是由相移谐振单元无缝拼接而成；相移谐振单元由上层、中间层和下层介质构成，相移谐振单元的每条轮廓线尺寸均小于工作电磁波波长，上层介质为具有全极化功能的谐振结构，上层介质固定在中间层介质的上表面，中间层介质是非金属层，下层介质是金属层，下层介质的上表面和中间层介质的下表面紧贴且完全吻合；每个相移谐振单元的改变的反射波相位满足条件：δ＝180°‑2k_bhcos(θ)，式中，δ为改变的反射波相位，θ为隐身衣的工作电磁波与水平面夹角的余角，h为相移谐振单元的几何中心距离地面的高度，k_b为隐身衣的工作电磁波波数。本发明超表面隐身衣对工作电磁波的极化方向不敏感，适用于所有电磁波频段。

Description

一种三维全极化的超表面隐身衣

技术领域

本发明属于电磁波隐身领域，具体涉及一种全极化的幅度和相位保持的超表面隐身衣。

背景技术

从中国名著西游记到希腊的神话故事，以至现在的哈利波特，人们对于隐身的美好幻想从未停歇。近些年来，随着异向介质的发展，电磁波隐身已经不再只是美好的幻想。电磁波是指由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以周期波动的形式进行能量和动量传递的一种波。电磁波谱包括电磁辐射所有可能的频率，电磁波谱频率从低到高分别为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。一般地，电磁波照射到物体上，不能完全地传播到物体后面，而会在物体上发生散射。雷达根据反射回来的电磁波来测定目标的方向、距离、高度等。

传统的隐身技术是通过在结构表面涂敷各种功能材料，从而达到损耗或散射雷达波以及抑制目标表面红外辐射强度的目的。但是这些隐身涂敷材料是基于吸波原理来实现隐身的，仅适用于单基站雷达隐身，而不能对双基站雷达隐身，因此很容易就被双基站雷达发现，无法实现结构的完美隐身。在光波段，现有的隐身技术还是军事迷彩等，然后，随着背景环境的改变，这种技术将不再具有隐身效果，因此这只是一种伪装技术，而不是真正地从视线中消失。另有一种隐身方法，通过光纤，将光线从一侧引导到另一侧，从而绕过中间的物体，但这样的装置对光纤的工艺要求较高，并且需要数量庞大的光纤，而且只能实现一个方向上的隐身。因此，这些隐身方法都不是一般人所能接收的理想隐身方法。

理想的隐身衣原理不是吸波而是改变波的传播路线，电磁波绕过被隐身的物体，并在物体的另一边按照原来的路径传播，电磁波不会被物体挡住，从而使物体后面不会呈现出阴影区域。这种情况下，电磁波照射到物体上，相当于该物体不存在，也即物体得到了完美的隐身。目前主要有两种电磁波隐身的方法，其一是基于散射相消原理；等离子材料覆盖在介质物体上，激发的偶极子将会彼此相抵消，散射场明显降低，从而实现内部物体隐身。在微波段，可用异向介质来实现此隐身功能。但是，当被隐藏物体的尺寸增大时，需要更高的偶极子模式，这在现实中很难实现。另一种方法是Pendry提出的变换光学法；利用麦克斯韦方程组的度量不变性和坐标变换法，在实空间中创造一个“洞”，光线可以平整地绕过这个“洞”。在实验验证中，他们采用一种异向介质(Metamaterial)材料来实现：采用金属图案阵列构造出等效介电常数和等效磁导率参数随空间变化的、具有各向异性特性的介质，并使这些等效介质在柱坐标系中按照一定要求放置，来实现圆柱形的隐身器件。但是这种采用金属图案阵列构造隐身器件的方法，构造方法比较复杂，并且由于金属在光频段的损耗很大，以及尺度变小后加工困难，上述方法基本上只能用于微波或远红外频段。由于Pendry等提出的隐身器件设计方法对材料的要求非常苛刻，实现起来很困难，价格昂贵，同时这种材料由于色散很剧烈，只能工作在很窄的一个频率区间，而且采用这种方法实现的隐身器件只对特定极化的电磁波有效，不能实现对任意极化电磁波的隐身。

总而言之，现有技术上的上述隐身方法的局限性主要有：

1.大多数传统隐身衣只能应用于特定极化电磁波，如果要实现传统体隐身衣的全极化，需要控制六个电磁参数，即介电常数的三个空间分量和磁导率的三个空间分量，这使得实现难度非常大。

2.大多数隐身衣均采用光程近似，即保持参数的折射率不变，改变阻抗，以便利用现有的材料实现，但是如果阻抗不匹配会造成很强的反射，被隐身物体仍然可以被探测到。

3.已有的全极化隐身衣均采用准保角变换方法设计，但是这种方法会使反射波引入一个侧向偏移，所以物体并没有得到完美隐身。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维全极化的超表面隐身衣，从而克服现有技术的全部或部分缺陷。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明一种三维全极化的超表面隐身衣由相移谐振单元无缝拼接而成；所述相移谐振单元由上层介质、中间层介质和下层介质构成，相移谐振单元的每条轮廓线尺寸均小于工作电磁波波长；上层介质为具有全极化功能的谐振结构，上层介质固定在中间层介质的上表面，中间层介质是非金属层，下层介质是金属层，下层介质的上表面和中间层介质的下表面紧贴且完全吻合；

每个相移谐振单元的改变的反射波相位满足式(1)所示的条件：

δ＝180°-2k_bhcos(θ) (1)

式(1)中，δ为改变的反射波相位，θ为隐身衣的工作电磁波与水平面夹角的余角，h为相移谐振单元的几何中心距离地面的高度，k_b为隐身衣的工作电磁波波数。

进一步地，本发明所述具有全极化功能的谐振结构为能够对不同极化电磁波激发相同谐振的金属图案或电介质图案。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明超表面隐身衣简易轻便，经济实惠，厚度小于工作电磁波波长，属于超薄型，可以隐身任意形状和尺寸的物体。相移谐振单元设计灵活，与被隐身物体的大小形状无关。现有技术中，如果要实现传统体隐身衣的全极化，需要控制6个电磁参数，即介电常数的三个空间分量和磁导率的三个空间分量，这使得实现难度非常大；而本发明超表面隐身衣采用的相移谐振单元对电磁波的极化方向不敏感，克服了只能应用于特定极化电磁波隐身衣的缺点。与传统的基于拟共形映射的地毯式隐身衣相比，本发明超表面隐身衣的每个相移谐振单元的改变的反射波相位满足式(1)所示的条件，不会产生不必要的反射波横向偏移。与基于光程近似的地毯式隐身衣相比，本发明超表面隐身衣能够完美恢复不同极化波的反射波幅度和相位。本发明超表面隐身衣适用于所有电磁波频段，尤其在微波段具有非常好的隐身效果，并能实现在任意工作电磁波入射角度下的隐身。

附图说明

图1是下层介质、中间层介质均为立方体的相移谐振单元的示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是谐振结构为双工字型金属图案的相移谐振单元的俯视图；

图4是下层介质、中间层介质均为正六棱柱的相移谐振单元的示意图；

图5是本发明呈凸面状的超表面隐身衣的示意图；

图6是本发明呈平面状的超表面隐身衣的俯视图；

图7是本发明超表面隐身衣的原理图；

图8是电磁波入射到金属圆台上的反射示意图；

图9是电磁波入射到图5所示的电磁波隐身衣时的隐身效果示意图；

图中，1.表示相移谐振单元的下层介质；2.表示相移谐振单元的中间层介质；3.表示相移谐振单元的上层介质；4.表示呈圆环型金属图案的谐振结构；5.表示中间层介质的上表面；6.表示呈双工字型金属图案的谐振结构；7.表示正六边形相移谐振单元的中间层介质的上表面；8a-8e.表示相移谐振单元的中间层介质；9a-9e.表示刻蚀在中间层介质上表面的圆环型金属图案；10a-10e.表示相移谐振单元的中间层介质；11a-11e.表示刻蚀在10a-10e的中间层介质上表面的圆环型金属图案；12.表示放置被隐身物体的底面；13.表示超表面隐身衣的其中一个相移谐振单元；14.表示工作电磁波入射波束；15a-15g.表示工作电磁波入射到金属圆台侧面和上表面上的反射波束；16.金属圆台；17a-17g.表示工作电磁波入射到有电磁波隐身衣包围的金属圆台时的反射波束。

具体实施方式

本发明所指的电磁波频段包括电磁辐射所有可能的频率。电磁波频段从低到高分別列为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。电磁波频段是无限的，而且是连续的。电磁波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。若该轨迹是直线，则称直线极化；若轨迹是圆，则称为圆极化；若轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。入射波的电场矢量与入射面垂直，入射波的磁场与入射面平行，则称TE波；入射波的电场矢量与入射面平行，入射波的磁场垂直于入射面，则称TM波；电场分量和磁场分量都只垂直于电磁波的传播方向，则称TEM波。电磁波的幅度是指电磁波的最大值与最小值之间的差，电磁波的相位是描述电磁波在特定时刻处在循环中的位置，在波峰、波谷或它们之间某点的标度。

本发明所说的无缝拼接是指相移谐振单元的侧面与相邻的相移谐振单元的侧面之间通过粘合或紧密贴合等方式拼接在一起，从来形成一个无缝的整体(如图5和图6所示)。需要说明的是，如果被隐身物体的表面是平面，则用于对其隐身的隐身衣亦可呈平面状(如图6所示)，此时相移谐振单元之间可以不需要粘合在一起，而只要相邻的相移谐振单元的侧面相互之间紧密贴合在一起，形成无缝排列即可构成隐身衣(如图6所示)。

电磁波是指由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以周期波动的形式进行能量和动量传递的一种波。当电磁波遇到障碍物时，反射波会紊乱。如果将本发明超表面隐身衣覆盖障碍物，则电磁波入射后可实现没有障碍物时一样的反射效果。

如图1和图2所示，本发明超表面隐身衣的相移谐振单元由上层介质3、中间层介质2和下层介质1构成，相移谐振单元的每条轮廓线尺寸均小于工作电磁波波长；上层介质3为具有全极化功能的谐振结构4，上层介质3固定在中间层介质2的上表面5，中间层介质2是非金属层，下层介质1是金属层，下层介质1的上表面和中间层介质2的下表面紧贴且完全吻合。下层介质1的下表面为隐身衣的内表面。

具有全极化功能的谐振结构可为圆环、双工字型、正方形环等金属图案或电介质图案，能够对不同极化电磁波激发相同的谐振。图2中采用的谐振结构4是圆环金属图案，图3中采用的谐振结构6是双工字型金属图案。相移谐振单元的中间层介质和下层介质设计也很灵活，形式多样。例如，图4示出的相移谐振单元的下层介质、中间层介质均为正六棱柱。

超表面隐身衣的每个相移谐振单元需要的“改变的反射波相位”与工作电磁波波数、工作电磁波入射角度和距离底面高度有关。在本发明中，可通过改变上层介质的尺寸，使每个相移谐振单元的改变的反射波相位满足式(1)所示的条件：

δ＝180°-2k_bhcos(θ) (1)

式(1)中，δ表示改变的反射波相位，θ表示隐身衣的工作电磁波与水平面夹角的余角，h表示相移谐振单元的几何中心距离地面的高度，k_b表示隐身衣的工作电磁波波数。

本发明超表面隐身衣由相移谐振单元无缝拼接而成，如图5所示。图5中的相移谐振单元的谐振结构为圆环金属图案，圆环9a-9e的尺寸不同。

以下结合图7中的相移谐振单元13来具体说明如何设计超表面隐身衣上的相移谐振单元。假设工作电磁波入射波束14以任意角度θ入射到本发明超表面隐身衣上，那么构成超表面隐身衣的每个相移谐振单元需要的改变的反射波相位δ不同，相移谐振单元13距离放置被隐身物体的底面12的高度为h，将其带入(1)式，计算出改变的反射波相位δ。实践中，可利用电磁仿真软件设计上层介质的尺寸(即谐振结构的尺寸)，使相移谐振单元的改变的反射波相位为δ。

根据如上方法，依次计算出每个相移谐振单元需要的改变的反射波相位，并仿真得到对应的相移谐振单元。

当电磁波束遇到障碍物时，反射波紊乱。图8中，工作电磁波垂直入射到障碍物金属圆台16上，15a、15b、15c、15d、15e表示工作电磁波入射到金属圆台16的侧面上的反射波，15f、15g表示工作电磁波入射到金属圆台16的顶面(即上表面)上的反射波。这些射线表示所处位置处的电磁波束的传播特性，射线的方向表示射线所处位置处的电磁波束的能量传播方向。由图8可以清晰地看出，金属圆台的侧面上和顶面上的反射波方向都不一样，很容易被探测到。

如图9所示，在将本发明超表面隐身衣覆盖在金属圆台16上后，工作电磁波的反射波束17a-17g的幅度和相位一致，等同于金属圆台16不存在，实现了对金属圆台16的隐身。除了金属圆台外，本发明隐身衣还可针对其他任意形状的物体实现隐身。

Claims (2)

1.一种三维全极化的超表面隐身衣，其特征是：它由相移谐振单元无缝拼接而成；所述相移谐振单元由上层介质、中间层介质和下层介质构成，相移谐振单元的每条轮廓线尺寸均小于工作电磁波波长；上层介质为具有全极化功能的谐振结构，上层介质固定在中间层介质的上表面，中间层介质是非金属层，下层介质是金属层，下层介质的上表面和中间层介质的下表面紧贴且完全吻合；

每个相移谐振单元的改变的反射波相位满足式(1)所示的条件：

δ＝180°-2k_bhcos(θ) (1)

式(1)中，δ为改变的反射波相位，θ为隐身衣的工作电磁波与水平面夹角的余角，h为相移谐振单元的几何中心距离地面的高度，k_b为隐身衣的工作电磁波波数。

2.根据权利要求1所述的一种三维全极化的超表面隐身衣，其特征是：所述具有全极化功能的谐振结构为能够对不同极化电磁波激发相同谐振的金属图案或电介质图案。