CN110794578A - 一种两层柱状结构幻觉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两层柱状结构幻觉装置，所述幻觉装置为核壳结构，包括中心圆柱和壳层；所述中心圆柱为均匀各向同性的材料，半径为r_c，介电常数和磁导率分别为ε_c和μ_c；所述壳层为中心圆柱外覆盖的一层均匀各向同性的材料，外半径为r_s,介电常数和磁导率分别为ε_s和μ_s；所述核壳结构在电磁散射上等效为另一个不同大小、不同材质的柱状目标物体，相应的半径、介电常数和磁导率分别为r_t、ε_t和μ_t。本发明设计的是一种两层柱状结构的幻觉装置，采用的是两层均匀各向同性的材料，相比于之前的由变换光学设计出来的各向异性不均匀材料的幻觉装置，本发明具有结构简单，材料参数易于实现等优点。

Description

一种两层柱状结构幻觉装置

技术领域

本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种两层柱状结构幻觉装置。

背景技术

2006年，J.B.Pendry提出了变换光学理论，该理论基于麦克斯韦方程在坐标变换中形式的不变性，可以通过选择合适的坐标变换来任意地控制电磁波的传播，采用该理论设计了很多新颖的功能性器件。其中，C.T.Chan研究小组基于变换光学理论提出了幻觉光学的概念，可使某个物体的电磁散射等效为另一个不同大小、不同材质和不同形状物体的散射，从而产生幻觉。该器件由两部分组成：一部分用来抵消原物体产生的散射，称为互补材料；另一部分用来产生一个新的虚幻物体，称为恢复材料。由变换光学设计出来的幻觉装置是各向异性不均匀的材料，实现起来非常困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种两层柱状结构幻觉装置。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种两层柱状结构幻觉装置，所述幻觉装置为核壳结构，包括中心圆柱和壳层；

所述中心圆柱为均匀各向同性的材料，半径为r_c，介电常数和磁导率分别为ε_c和μ_c；

所述壳层为中心圆柱外覆盖的一层均匀各向同性的材料，外半径为r_s,介电常数和磁导率分别为ε_s和μ_s；

所述核壳结构在电磁散射上等效为另一个不同大小、不同材质的柱状目标物体，相应的半径、介电常数和磁导率分别为r_t、ε_t和μ_t。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的核壳结构和目标物体具有相等的散射系数，从而：

其中，

和

分别代表自由空间和目标物体中的波数，J_n和Y_n分别为第一类和第二类贝塞尔函数；

和

分别代表中心圆柱和壳层中的波数。

上述的两层柱状结构幻觉装置的外半径远小于工作波长λ₀时，核壳结构需满足的约束为：

γ_t ²(μ_t-μ₀)＝-γ_s ²μ₀+μ_c-μ_s+γ_s ²μ_s,n＝0, (7)

其中，γ_s＝r_s/r_c和γ_t＝r_t/r_c。

上述的中心圆柱为完美导体，即ε_c＝-j∞,μ_c＝0时，核壳结构需满足的约束为：

γ_t ²(μ_t-μ₀)＝-γ_s ²μ₀-μ_s+γ_s ²μ_s,n＝0, (9)

γ_s ⁴(ε₀-ε_s)(ε₀+ε_t)-γ_s ²{(ε₀+ε_s)(ε₀+ε_t)+γ_t ²(ε₀+ε_s)(ε₀-ε_t)}+γ_t ²(ε_s-ε₀)(ε_t-ε₀)＝0,n＝1. (10)

上述的中心圆柱为PEC材料，所述壳层为磁性覆层材料，壳层的相对电磁参数为ε_s＝5，μ_s＝0.2377，外半径为r_s＝1.2868r_c，目标物体的参数为ε_t＝-5，μ_t＝-0.5，r_t＝r_c，其中，r_c/λ₀＝1/15,λ₀为入射电磁波的波长。

本发明具有以下有益效果：

本发明的一种两层柱状结构的幻觉装置，采用的是两层均匀各向同性的材料，相比于之前的由变换光学设计出来的各向异性不均匀材料的幻觉装置，本发明具有结构简单，材料参数易于实现等优点。

附图说明

图1是本发明一种两层柱状结构的幻觉装置的结构示意图；

图2是中心圆柱为PEC材料的幻觉装置的设计实施例。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明基于A.Alù的散射相消理论设计的一种两层柱状结构幻觉装置，为核壳结构，包括中心圆柱和壳层；

所述中心圆柱为均匀各向同性的材料，半径为r_c，介电常数和磁导率分别为ε_c和μ_c；

所述壳层为中心圆柱外覆盖的一层均匀各向同性的材料，外半径为r_s,介电常数和磁导率分别为ε_s和μ_s；

所述核壳结构在电磁散射上等效为另一个不同大小、不同材质的柱状目标物体，相应的半径、介电常数和磁导率分别为r_t、ε_t和μ_t。

根据Mie散射理论，圆柱坐标系中的散射场可以表示为散射系数和圆柱贝塞尔函数乘积的级数和。对于多层柱状物体的散射分析，由于电磁场满足相应的连续边界条件，散射系数

的表达式可以写成

对于各向同性材料的圆柱目标物体(r_t、ε_t、μ_t)，上式中的量

和

可以表示为：

其中，

和

分别代表自由空间和目标物体中的波数，J_n和Y_n分别为第一类和第二类贝塞尔函数。

对于由两种均匀各向同性材料构成的核壳结构，量

和

可以表示为：

其中，和分别代表中心柱体和壳层中的波数。

当两层柱状结构幻觉装置的外半径远小于工作波长λ₀时，即准静态近似时，电磁散射主要由n＝0和|n|＝1的散射项构成。

实施例中，为了利用核壳结构实现比较理想的幻觉效果，所述核壳(core-shell)结构和目标(target)物体应该具有相等的散射系数，即

因此，圆柱结构的半径远小于工作波长λ₀时，核壳结构满足以下约束时，可以等效成一个目标物体。

γ_t ²(μ_t-μ₀)＝-γ_s ²μ₀+μ_c-μ_s+γ_s ²μ_s,n＝0, (7)

其中，γ_s＝r_s/r_c和γ_t＝r_t/r_c。

当核壳结构的中心圆柱为完美导体(ε_c＝-j∞,μ_c＝0)时，幻觉装置应满足的约束条件为：

γ_t ²(μ_t-μ₀)＝-γ_s ²μ₀-μ_s+γ_s ²μ_s,n＝0, (9)

γ_s ⁴(ε₀-ε_s)(ε₀+ε_t)-γ_s ²{(ε₀+ε_s)(ε₀+ε_t)+γ_t ²(ε₀+ε_s)(ε₀-ε_t)}+γ_t ²(ε_s-ε₀)(ε_t-ε₀)＝0,n＝1. (10)

如图2所示，当中心圆柱为PEC材料时，采用磁性材料包裹，由公式(9)和(10)可以计算得到覆层材料(壳层)的电磁参数为ε_s＝5，μ_s＝0.2377，外半径为r_s＝1.2868r_c(实线)。虚线对应的是目标圆柱为ε_t＝-5，μ_t＝-0.5，r_t＝r_c的散射截面，其中，r_c/λ₀＝1/15，λ₀为入射电磁波的波长。由图2可知，这种两层核壳结构与目标物体的散射截面非常相似，说明通过本发明设计的电磁幻觉装置效果较好。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种两层柱状结构幻觉装置，其特征在于，所述幻觉装置为核壳结构，包括中心圆柱和壳层；

所述中心圆柱为均匀各向同性的材料，半径为r_c，介电常数和磁导率分别为ε_c和μ_c；

所述壳层为中心圆柱外覆盖的一层均匀各向同性的材料，外半径为r_s,介电常数和磁导率分别为ε_s和μ_s；

所述核壳结构在电磁散射上等效为另一个不同大小、不同材质的柱状目标物体，相应的半径、介电常数和磁导率分别为r_t、ε_t和μ_t。

2.根据权利要求1所述的一种两层柱状结构幻觉装置，其特征在于，所述核壳结构和目标物体具有相等的散射系数，从而：

其中，

和

分别代表自由空间和目标物体中的波数，J_n和Y_n分别为第一类和第二类贝塞尔函数；

和

分别代表中心圆柱和壳层中的波数。

3.根据权利要求2所述的一种两层柱状结构幻觉装置，其特征在于，所述两层柱状结构幻觉装置的外半径远小于工作波长λ₀时，核壳结构需满足的约束为：

γ_t ²(μ_t-μ₀)＝-γ_s ²μ₀+μ_c-μ_s+γ_s ²μ_s,n＝0, (7)

其中，γ_s＝r_s/r_c和γ_t＝r_t/r_c。

4.根据权利要求2所述的一种两层柱状结构幻觉装置，其特征在于，所述中心圆柱为完美导体，即ε_c＝-j∞,μ_c＝0时，核壳结构需满足的约束为：

γ_t ²(μ_t-μ₀)＝-γ_s ²μ₀-μ_s+γ_s ²μ_s,n＝0, (9)

γ_s ⁴(ε₀-ε_s)(ε₀+ε_t)-γ_s ²{(ε₀+ε_s)(ε₀+ε_t)+γ_t ²(ε₀+ε_s)(ε₀-ε_t)}+γ_t ²(ε_s-ε₀)(ε_t-ε₀)＝0,n＝1. (10) 。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种两层柱状结构幻觉装置，其特征在于，所述中心圆柱为PEC材料，所述壳层为磁性材料，壳层的相对电磁参数为ε_s＝5，μ_s＝0.2377，外半径为r_s＝1.2868r_c，目标物体的相对电磁参数和半径为ε_t＝-5，μ_t＝-0.5，r_t＝r_c，其中，r_c/λ₀＝1/15，λ₀为入射电磁波的波长。

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