CN110416734A - 声电共用型编码超材料及其在隐身装置的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声电共用型编码超材料及其在隐身装置的应用，超材料由n比特声电共享型编码单元按照预先设计的编码状态在二维平面内进行周期性排列构成，所述编码状态的数量为2n，相位差为度；声电共享型编码单元的基本单元结构为铝制的亥姆霍兹谐振器，通过调整声电共享型编码单元的几何参数，对垂直入射的电磁波和声波进行反射调控；将该超材料作为隐身装置表面材料应用。本发明基于单一材料设计，结构简单、易于加工，可同时对声波和电磁波进行波束偏折、波束赋形、异常反射，也可用于缩减目标的雷达或者声呐的散射截面；本发明可以看作是电磁反射阵列天线和声纳阵列的结合体，在某些复杂场景的安全检测或目标探测中，具有潜在的应用前景。

Description

声电共用型编码超材料及其在隐身装置的应用
技术领域
本发明涉及一种新型人工材料，尤其涉及一种可同时控制声场和电磁场的编码超材料，同时还涉及声电共用型编码超材料在隐身装置的应用。
背景技术
超材料是由周期性以及非周期性排列的亚波长尺寸的单元结构组成，其最初的目的是仿制自然材料的排列方式，来实现自然材料所不能实现的一些性能。早期的超材料是从对电磁波领域的调控引入，而且都是三维的模拟结构。其利用入射电磁波与单元间的相互作用调控电磁波的传播形式。2011年Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，从理论上解释了当在超材料表面引入不连续相位时，会对电磁波产生反常反射和反常折射现象。随后根据广义斯涅尔定律，其他小组又通过在二维超表面上设计更加复杂的相位分布，从而达到任意控制反射波和折射波的目的，如涡旋波束和贝塞尔波束等；甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的雷达散射截面积，实现隐身。近年来，这种超表面的概念也推广到了声波领域。
以上所提到的超表面均是针对同一种物理场进行调控的，即电磁的超表面只能调控电磁波的行为，而声学的超表面只能操纵声场的传输。而一些以前所提出的可以同时控制声场和电磁场的器件，因为需要用不同的材料对不同的场进行响应，通常制作起来都非常复杂，而且所能达到的调控效果有限。
发明内容
发名目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种声电共用型编码超材料，通过预先设计数字编码单元在二维平面上的排列，同时实现对声波和电磁波进行波束偏折、波束赋形、异常反射等操作，也可用于缩减目标的雷达或者声呐的散射截面。本发明的另一目的是提供一种声电共用型编码超材料在隐身装置的应用。
技术方案：一种声电共用型编码超材料，由n比特声电共享型编码单元按照预先设计的编码状态在二维平面内进行周期性排列构成，所述编码状态的数量为2n，相位差为度；
所述声电共享型编码单元的基本单元结构为铝制的亥姆霍兹谐振器，通过调整所述声电共享型编码单元的几何参数，对垂直入射的电磁波和声波进行反射调控。
进一步的，所述亥姆霍兹谐振器的几何参数包括腔体高度a、腔体宽度b、单元的周期长度d、腔体开缝宽度w和缝的深度h，单位为mm。
进一步的，所述编码单元采用线切割的方式加工相连接。
优选的，采用3比特声电共享型编码，编码状态包括“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”，对应8种反射相位，相位差为45度；
当a＝0、b＝0、d＝15、w＝0、h＝0时，编码状态为“000”；当a＝10、b＝13、d＝15、w＝2、h＝3.3时，编码状态为“001”；当a＝9、b＝13、d＝15、w＝3、h＝3时，编码状态为“010”；当a＝9、b＝13、d＝15、w＝4.2、h＝3时，编码状态为“011”；当a＝9、b＝12.9、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“100”；当a＝9、b＝9.9、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“101”；当a＝9、b＝7.2、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“110”；当a＝7.5、b＝5、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“111”。
一种隐身装置，其表面采用所述声电共用型编码超材料，可同时减小其覆盖物质的雷达和声呐散射截面，并使其免疫于热红外探测。
与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、利用一种材料就实现了对声场与电磁场同时且灵活的操控，大大缩减了以往设计的复杂性。2、所采用的的金属铝制材料，具有良好的耐热性以及延展性，容易共形地贴附在航天飞机和各种交通工具的外表面上。3、基于本发明所设计的漫反射装置，可以同时缩减目标的雷达或者声呐的散射截面；不仅如此，得益于金属导体的良好性质，该装置还可以对红外探测免疫，实现完美的隐身功能。4、本发明同时实现了声电相位的高比特编码，相比于之前的需要多种材料调控声电的方式，有更多的设计自由度，可实现更复杂的波束控制功能。
附图说明
图1为本发明声电共用型编码超材料示意图；
图2为本发明的单元结构的立体图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为本发明的8个基本单元在同一波长下对于声波和电磁波作用下的相位响应、幅度响应，以及对应的编码数字态；
图4为利用1比特编码产生的多波束现象，其中(a)、(c)和(e)分别为电磁的双波束、三波束和四波束；(b)、(d)和(f)分别为声波的双波束、三波束和四波束；
图5为利用1比特编码产生电磁和声学的漫反射现象，其中(a)为电磁的漫反射，(b)为声波的漫反射。
图6为利用2比特编码设计的声波和电磁波的双波束搬移功能，其中，(a)为电磁双波束搬移，(b)为声波双波束搬移。
图7为利用3比特编码设计的反常反射功能，其中(a)为电磁波的反常反射，(b)声波的反常反射。
图8为利用3比特编码设计的携带轨道角动量的波束以及波束搬移，其中，(a)为轨道角动量的编码，(b)为携带轨道角动量的电磁波束，(c)为携带轨道角动量的声波波束；(d)为携带轨道角动量的波束搬移功能所对应的编码，(e)为携带轨道角动量的电磁波束搬移，(f)为携带轨道角动量的声波波束搬移。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做详细的说明。
如图1所示，一种声电共用型编码超材料，其单元结构由铝制材料的亥姆霍兹谐振器组成，通过设计优化单元结构的几何参数，可使得每个单元在垂直入射的电磁波和声波的照射下，呈现出独立的反射相位，就能够对声场和电磁场进行同时调控。
图2为本发明所用的亥姆霍兹谐振器的单元立体结构图。图中给出了谐振器的四个参数：腔体高度a、腔体宽度b、单元的周期长度d、腔体开缝宽度w和缝的深度h，单位为mm，如标注所示。所有的单元结构均由铝制材料制成。
因为声场和电磁场同时满足亥姆霍兹方程并且铝制材料能够提供电磁场中的完美电导体以及声场中的硬边界条件，即遵循同一类边界条件所以，本发明所提出的谐振器对同一波长下的幅度和相位响应是一样的。通过优化谐振器的四个几何参数，可使得每个单元在垂直入射的电磁波和声波下，呈现出独立的反射相位。
本实施例中，采用3-bit声电共享型编码单元，各反射相位-180度、-135度、-90度、-45度、0度、45度、90度和135度，分别对应于电磁和声场的数字态“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，相邻的单元只按照周期性延拓的，一个单元和另一个单元挨在一起，采用金属加工技术如线切割加工方式相连接。
图3(a)和图3(b)中分别展示了这八种单元在同一波长下对于声波和电磁波作用下的相位和幅度响应。图3(c)给出了八种编码单元所对应的编码数字态，其详细尺寸见表1。
表1本发明的3-比特声电共用型编码以及其所对应的几何尺寸
编码状态 相位(°) a(mm) b(mm) d(mm) h(mm) w(mm)
000 -180.0 0 0 15 0 0
001 -135.2 10 13 15 3.3 2
010 -91.0 9 13 15 3 3
011 -44.5 9 13 15 3 4.2
100 -0.3 9 12.9 15 2.5 5
101 45.0 9 9.9 15 2.5 5
110 89.4 9 7.2 15 2.5 5
111 134.5 7.5 5 15 2.5 5
为了说明声电共用型编码超材料的作用，先用1比特编码来实现多波束的产生。当编码状态分别为‘0000001111’，‘0000110000’和‘0001000111’时，编码超材料会分别将正入射的声波或者电磁波反射为两波束、三波束和四波束。如图4所示，其中图(a)、(c)和(e)分别为电磁的双波束、三波束和四波束；图(b)、(d)和(f)分别为声波的双波束、三波束和四波束。
不仅如此，利用这种1比特的编码还能够同时实现电磁和声波的漫反射。利用优化的1比特编码，入射的电磁波和声波会被同时散射到空间的各个方向。图5展示了这种漫反射现象。其中图(a)为电磁的漫反射，图(b)为声波的漫反射。这种漫反射现象常常用来作为器件的隐身，减小散射截面。对于此装置来讲，它既减小了雷达的散射截面又减小了声呐的散射截面。不仅如此，得益于金属材料本身的性质，本装置也对红外热像仪的探测绝缘。
相比之下，2比特的编码能够比1比特的编码状态提供更多的控制可能性。将一个‘020202…’(双波束)的编码与一个梯度编码‘0123…’叠加，就可以将一个双波束搬移预设的角度。图6为利用2比特编码设计的声波和电磁波的双波束搬移功能，其中图(a)为电磁双波束搬移，图(b)为声波双波束搬移。
基于3比特编码的反常反射在图7中给出，其中图(a)为电磁波的反常反射，图(b)声波的反常反射。这里的编码状态为梯度编码‘01234567…’，反常编码的角度可用广义斯涅耳定律来计算求出。
3比特的编码状态可以实现诸多复杂的波束控制功能。这里通过图8中的(a)和(d)的编码就能够实现携带有轨道角动量的波束赋形以及偏移功能。这里实现的是1阶的轨道角动量功能。图(b)为携带轨道角动量的电磁波束，可以很明显地看出编码图像产生了一个中空的波束，符合携带轨道角动量波束的特点。图(c)展示了携带轨道角动量的声波波束。从图(e)和图(f)可以看出，携带轨道角动量的电磁波和声波同时被搬移了一定的角度。

Claims (5)

1.一种声电共用型编码超材料，其特征在于：由n比特声电共享型编码单元按照预先设计的编码状态在二维平面内进行周期性排列构成，所述编码状态的数量为2n，相位差为度；
所述声电共享型编码单元的基本单元结构为铝制的亥姆霍兹谐振器，通过调整所述声电共享型编码单元的几何参数，对垂直入射的电磁波和声波进行反射调控。
2.根据权利要求1所述的声电共用型编码超材料，其特征在于：所述亥姆霍兹谐振器的几何参数包括腔体高度a、腔体宽度b、单元的周期长度d、腔体开缝宽度w和缝的深度h，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的声电共用型编码超材料，其特征在于：所述编码单元采用线切割的方式加工相连接。
4.根据权利要求1所述的声电共用型编码超材料，其特征在于：采用3比特声电共享型编码，编码状态包括“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”和“111”，对应8种反射相位，相位差为45度；
当a＝0、b＝0、d＝15、w＝0、h＝0时，编码状态为“000”；当a＝10、b＝13、d＝15、w＝2、h＝3.3时，编码状态为“001”；当a＝9、b＝13、d＝15、w＝3、h＝3时，编码状态为“010”；当a＝9、b＝13、d＝15、w＝4.2、h＝3时，编码状态为“011”；当a＝9、b＝12.9、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“100”；当a＝9、b＝9.9、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“101”；当a＝9、b＝7.2、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“110”；当a＝7.5、b＝5、d＝15、w＝5、h＝2.5时，编码状态为“111”。
5.如权利要求1-4任一所述的声电共用型编码超材料在作为隐身装置表面材料的应用。
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