CN106972278B - 一种全介质零散射颗粒及其构成的电磁隐形材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全介质零散射颗粒及其构成的电磁隐形材料。颗粒中心为微波频段高介电常数、低损耗的高介电陶瓷，高介电陶瓷呈正方体形状，正方体形状的高介电陶瓷外面包裹有低介电常数、低损耗电介质，整体构成实心正方体体结构的零散射固体颗粒；同时利用该全介质零散射颗粒周期排列来构造等效均匀且三维各向同性的具有电磁隐形作用的人工材料。本发明结构简单加工方便，能针对不同应用加工成任意形状的材料，实例仿真验证在工作频率上得到了几乎完美隐形的电磁特性；同时可直接通过结构尺寸缩放拓展到所需的工作频段，且基于相同理论还可以将这种完美隐形特性拓展到声波等其他领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁隐形领域的全介质零散射颗粒，尤其是涉及电磁隐形领域的一种在自由空间中任意角度完美匹配透明的由零散射颗粒构成的全介质电磁隐形材料。
背景技术
在物理学中，媒质(也称介质)一般指代物理过程进行的载体，自然界中存在的媒质多数都是由原子和分子组成的，在电磁场的作用下，媒质中的束缚电子产生的电偶极子以及分子电流形成的磁偶极子会受到洛仑兹力的作用，呈现出带电粒子位移、电磁偶极矩转向等多种形式的运动，从而导致电磁极化(Polarization)现象的发生。自由空间中，电磁场的规律由麦克斯韦方程组完全描述，而本构关系是描述媒质与电磁波相互作用的电磁学方程，不同媒质在不同频率电磁波作用下产生的不同的电磁响应表示为其本构参数的频率色散。对于给定的媒质，其本构参数由四个电磁参数组成，分别反应了媒质电极化、磁极化、磁交叉极化和电交叉极化的强度。介电常数和磁导率作为两个非常重要的本构参数分别表征了媒质在电磁波作用下的电极化响应和磁极化响应，其频率色散曲线可以用Drude-Lorentz模型等叠加而成。对于非均匀媒质，其本构参数除了具有频率色散之外，还具有空间色散。对于由亚波长单元构成的非均匀媒质，可引入“等效媒质”(Effective medium)的概念。等效媒质意味着在分析其宏观状态下的电磁特性时可以引起“等效”的与空间位置无关的本构参数进行描述。人工媒质的物理本质是采用人工设计的亚波长谐振单元，在空间上的周期排列，利用电磁场激发而产生的谐振来模拟自然媒质中由于原子的振动引起的电磁极化，使得其等效介电常数和磁导率在所需的频段内具有特定的频率色散，以实现对等效电磁参数的人工调控。
电磁波在通过传输媒质时可能会发生折射，衍射，反射、散射及吸收等等，传输媒质的本构参数决定了电磁波在其中传输时会出现不同的结果。人之所以能够看到自然物体，是由于电磁波在这些自然物体上发生了反射和折射，在自然界中，几乎所有的自然物体的介电常数和磁导率与自由空间都不相同，那么电磁波在通过这种物体时，就不可避免的出现折射，反射等现象，观察者就能够在各个角度都可以看到这些物体。如果有媒质的介电常数和磁导率与自由空间完全一样，电磁波在通过这种媒质时，就和通过自由空间完全相同，也就是说不会出现反射，折射，衍射等现象，那么在各个角度，观察者都不能看到这些物体，这种媒质就实现了自我隐形。
人工媒质的概念在19世纪末第一次被提出，随后人工媒质所具有的特殊的电磁特性成为了科学家关注的焦点，后来人们发现可以通过调整谐振频率来控制这些人工媒质的等效相对介电常数和磁导率，这种设计思想，使得实现人工媒质的自我隐形成为可能。利用这种思想，隐身衣的设计也应运而生，隐身衣是通过设计特殊结构的空间色散特性，改变物体表面的折射率，引导入射到此物体上的电磁波的传播路径发生改变，让光线“转弯”绕过物体按原方向传播，从而使物体被隐藏掉。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的问题，本发明的目的在于提供一种全介质零散射颗粒的构造方法及其构成的电磁隐形材料的应用。利用亚波长尺寸的复合结构在某些频带内具有大幅可调的等效相对磁导率和等效相对介电常数的特性，通过适当调整结构的形状和尺寸，将其等效的相对介电常数和相对磁导率磁导率人工调节到同时与自由空间的相对介电常数和相对磁导率的值对应相等，使得该单元与自由空间完美匹配以实现具有零散射的颗粒。同时利用该结构周期排列来构造等效均匀且三维各向同性的具有电磁隐形作用的人工材料。该材料由于结构的对称性，可以实现具有任意结构的自我隐形，使得其在军事和民用等领域具有很广阔的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：
一、一种全介质零散射颗粒：
颗粒中心为正方体结构的电介质，颗粒中心外包裹有另一种电介质，共同构成实心正方体结构的零散射颗粒。
所述的颗粒中心的材料为陶瓷。陶瓷采用低损耗且高介电常数陶瓷，具有低损耗和低介电常数的电磁特性。其介电常数越高越好，损耗角正切需要小于0.005。
所述颗粒中心外包裹的另一种电介质采用低介电常数且低损耗的电介质，具有低损耗和低介电常数的电磁特性。其介电常数越低越好，损耗角正切需要小于0.005。
所述的全介质零散射颗粒，整体呈正方体方形结构，其颗粒中心的陶瓷结构也为正方体方形结构，以使其各向同性。
所述颗粒中心的正方体结构边长不大于工作波长，即使得颗粒结构的特征尺寸有与工作波长相当或更小的周期。
二、一种全介质零散射颗粒构成的电磁隐形材料，其特征在于：
所述的电磁隐形材料由所述全介质零散射颗粒周期排列而成，排列周期不大于工作波长。
所述的电磁隐形材料其单元的尺寸小于工作频率处自由空间中波长的1/4。
所述的电磁隐形材料由全介质零散射颗粒按照任意方向排列而成任意结构。
所述的电磁隐形材料由全介质零散射颗粒按照沿直线方向周期排列，其中直线方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。
本发明可通过将全介质零散射颗粒中的中心陶瓷尺寸及单元尺寸进行优化，使得其等效相对介电常数和磁导率分别与自由空间中的值相对应，同时通过三维空间中的周期排列来构造具有各项同性的电磁隐形材料。
所述的电磁隐形材料，由于其组成单元的三维对称性，可以在三维空间中周期排列成任意形状的结构。
本发明具有的有益效果是：
采用本发明的全介质零散射颗粒，其组成成分分别为具有低损耗特性的高介电常数陶瓷和低介电常数介质，因此结构简单，实现方便，成本低廉。
此外由于本发明中的全介质零散射颗粒为正方体结构，具有三维对称性，一次可以将所述的全介质零散射颗粒以任意周期，随意排列成任意层数、任意形状的三维离散或实体结构，且均具有自我隐形的电磁特性。
本发明中的电磁隐形材料与自由空间的匹配效果极好，同时由于采用了具有低损耗特性的介质和低损耗陶瓷，因此整个结构的损耗很小，透射率很高。经过实例仿真验证，在工作频率上的散射宽度远低于自己的空间宽度。
本发明中的电磁隐形材料，其折射率稳定，与自由空间的值相差很小，不超过1％。
可通过调整单元结构的尺寸使得该全介质零散射颗粒结构工作在射频、微波以及太赫兹等频段。
附图说明
图1是本发明实施例中的全介质零散射颗粒结构示意图；(a＝12mm，b＝7mm)。
图中：1为低损耗高介电常数陶瓷，2为低损耗低介电常数聚砜(Polysulfone)。
图2是本发明实施例中利用全介质零散射颗粒构成的三维平板型电磁隐形材料的示意图；
图3是本发明实施例样品仿真得到的散射参数，其中实线为S11，虚线为S21；
图4是本发明实施例仿真散射参数反算得到的等效电磁参数的实部，其中实线为等效相对介电常数的实部，虚线为等效相对磁导率的实部；
图5是本发明实施例中的单个颗粒在5.55GHz平面波入射下的电场分布图；
图6是本发明实施例中的多个颗粒在5.55GHz平面波入射下的电场分布图；
图7是本发明实施例中不规则排列颗粒在5.55GHz平面波入射下的电场分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例子对本发明进一步进行阐述。
本发明的实施例如下：
本发明的全介质零散射颗粒整体呈四方体状结构，结构图如图1所示。该颗粒整体呈正方体结构，横截面的边长为a＝12mm。主要包含两种材料，其中颗粒中心为由陶瓷构成的正方体结构(结构1)，边长为b＝7mm，陶瓷具有低损耗、高介电常数特性，其相对介电常数为79.2，损耗角正切为0.0005，相对磁导率为1。整个颗粒除去中心的陶瓷结构1以外为由具有低损耗、低介电常数特性的另一种介质组成的填充结构2。在本实施例中，结构2的组成成分为聚砜(Polysulfone)，相对介电常数为3，损耗角正切为0.0017，相对磁导率为1。
图2为利用本发明全介质零散射颗粒而构成的电磁隐形材料的一种实例，整个电磁隐形材料为具有规则轮廓的平板结构。通过将全介质零散射颗粒分别沿着y轴和z轴周期排列，当入射波的电场和磁场分别沿着两排列方向时，整个结构会被电磁波激发产生谐振，使得样品的等效相对介电常数和磁导率分别产生频率色散，通过尺寸的优化使得两者的值与自由空间中的值相同来实现电磁隐形的目的。
实施例实施过程中通过全波电磁仿真软件CST Microwave Studio进行仿真分析，图3为基于有限元的频域算法和周期边界得到的样品的散射参数，其中实线代表其传输参数S21，虚线代表其反射系数S11。从图中可以看出在5.545GHz频率处，98.5％的能量会透射，说明本样品的传输损耗极小仅为0.13dB。
由于本发明中的全介质零散射颗粒的单元尺寸处于亚波长范围内，因此在分析其宏观电磁极化特性的时候可以通过等效媒质理论，采用等效的相对电磁参数来描述其在与电磁波之间的相互作用。根据Smith等人的研究，可以利用样品介质板的散射参数，根据Maxwell-Garnett等效媒介理论，计算出能代表其电磁特性的等效介电常数和等效磁导率。等效均匀介质中S参数与波阻抗z，折射系数n之间的关系为：
其中，S21、S12分别表示两个端口之间的透射，i表示虚数单位，S11、S22分别表示两个端口的反射，d为介质板厚度，k为玻尔兹曼常数。由以上两式，可得到介质中的波阻抗z和折射系数n分别为：
上式中m为正整数，可以看出折射系数n的虚部是唯一的，但是其实部具有m个分支，m的值可以根据折射系数n的实部的连续性来判断。利用折射系数n和波阻抗z可以进一步得到介质的等效介电常数ε(ω)和等效磁导率μ(ω)分别为：
μ(ω)＝nz＝μ'(ω)+iμ″(ω)
式中，ε'(ω)为该等效媒质的相对介电常数的实部，ε″(ω)为该等效媒质相对介电常数的虚部，该部分的大小决定了材料的电损耗大小，ε″(ω)越大表示媒质的电损耗越大；μ'(ω)为该等效媒质的相对磁导率的实部，μ″(ω)为该等效媒质相对磁导率的虚部，同理其虚部的大小决定了媒质的磁损耗大小，μ″(ω)越大表示媒质的磁损耗越大。上述的ω为入射电磁波的角频率，i为虚数单位。
在电磁波的作用下，全介质零散射颗粒中心的陶瓷会产生电谐振，使得等效相对介电常数产生Lorentz谐振，由于其谐振的强度较大，可以会将原本只能在光波乃至红外波段的观察到的等离子谐振降到所需要的工作频段，具体的工作频段由颗粒的边长以及中心的正方体的边长以及介质层的电磁参数决定。在介于等离子体频率和高阶谐振频率之间，相对介电常数的值，其实部可以在某个频率点处为1。同时由于整个结构中不存在磁谐振结构，根据混合媒质理论，其等效磁导率μ(ω)大小可以通过改变单元的尺寸进行调节。
综上所述，本发明结构能通过适当调节颗粒的大小与中心陶瓷的尺寸即可以实现在某个所需频率上其对应的相对介电常数和磁导率均等于1，从而实现与自由空间的完美匹配。根据叠加原理，当这种全介质零散射颗粒没有散射时，其任意多个粒子排列在任意位置上均具有零散射特性，因此可以用这种全介质零散射颗粒构造出任意形状的电大尺寸下的等效电磁隐形材料。
图4为利用上述公式计算得到的样品的等效相对介电常数和磁导率，可以看出在5.545GHz频率处，其等效相对介电常数和磁导率都为1，与自由空间中的值相同，因此由本发明中的全介质零散射颗粒组成的电磁材料，其性质与自由空间相同，可以在相应地频率处实现电磁隐形功能。
图5为单个颗粒在沿x轴方向传播的电磁波作用下的yoz平面的电场的幅度，可以看出在自由空间中加入该颗粒之后，电磁波原本的传输强度和方向均没有发生改变，就好像该颗粒完全“隐身”在自由空间中一样。同理，图6为一排颗粒在沿x轴方向传播的电磁波作用下的yoz平面的电场的幅度，可以看出其对于电磁波的传输方向和强度都没有产生明显的影响。因此由本发明中提出的全介质零散射颗粒周期排列组成的任意形状的三维结构都具有电磁波隐形作用。
根据本发明谐振单元实例的工作中心频率约为5.55GHz，如果要工作在其他频率，可通过正方体的尺寸来实现。
图7为由多个颗粒排成Z字型在电磁波入射下的yoz平面的电场的幅度，可以看出该Z字型结构的存在对原电场的传输方向和强度都没有产生明显的影响。由此可见，本发明由于单元结构的空间对称性，能够针对不同应用加工成任意形状的材料，实例仿真验证在工作频率上得到了几乎完美隐形的电磁特性，同时能够直接通过结构尺寸缩放拓展到所需的工作频段，具有起突出显著的技术效果。
以上所述，仅是根据本发明设计的所有实施例都是较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种全介质零散射颗粒，其特征在于：颗粒中心为正方体结构的电介质，颗粒中心外包裹有另一种电介质，共同构成实心正方体结构的零散射颗粒；
所述的颗粒中心的材料为陶瓷；所述颗粒中心外包裹的另一种电介质为聚砜；
通过调整零散射颗粒结构的尺寸，将其等效的相对介电常数和相对磁导率人工调节到同时与自由空间的相对介电常数和相对磁导率的值对应相等，使得该颗粒与自由空间完美匹配以实现零散射。
2.根据权利要求1所述的一种全介质零散射颗粒，其特征在于：所述颗粒中心的正方体结构边长不大于工作波长。
3.根据权利要求1-2任一所述全介质零散射颗粒的应用，其特征在于：在构造电磁隐形材料方面的应用。
4.一种全介质零散射颗粒构成的电磁隐形材料，其特征在于：所述的电磁隐形材料由权利要求1-2任一的全介质零散射颗粒周期排列而成，排列周期不大于工作波长。
5.根据权利要求4所述的一种全介质零散射颗粒构成的电磁隐形材料，其特征在于：所述的排列周期小于工作波长的1/4。
6.根据权利要求4所述的一种全介质零散射颗粒构成的电磁隐形材料，其特征在于：所述的电磁隐形材料由全介质零散射颗粒按照任意方向排列而成任意结构。
7.根据权利要求4所述的一种全介质零散射颗粒构成的电磁隐形材料，其特征在于：所述的电磁隐形材料由全介质零散射颗粒按照直线方向周期排列，其中直线方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。
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