CN111025672A - 一种电磁波多方向光栅隐身器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁波多方向光栅隐身器件。它包括八个第一光栅和四个第二光栅，第一、第二光栅对入射的电磁波透明，各光栅的两面分别为光面和锯齿面，锯齿面上的每个“锯齿”有第一、第二平面。四个第二光栅首尾相接共同围成中空的长方体，相邻两个第二光栅中的一个的首端的边楞与另一个的尾端的边楞重合，各第二光栅的光面为长方体的内壁；八个第一光栅置于长方体内，且每两个第一光栅与一个第二光栅共同围成一个中空三棱柱；每个三棱柱中，两个第一光栅的首端的边楞重合，其中一个的尾端的边楞与第二光栅的首端的边楞重合，另一个的尾端的边楞与第二光栅的尾端的边楞重合，三棱柱的内壁为构成其的各光栅的光面。本发明具有四个方向的隐身效果。

Description

一种电磁波多方向光栅隐身器件

技术领域

本发明涉及一种电磁波隐身器件和光栅，属于电磁波隐身领域。

背景技术

电磁波隐身一直是人类长期以来的一种梦想，但是一直没有得以实现。一般地，电磁波照射到物体上时，不能完全地传播到物体后面，而会在物体上发生散射，因此电磁波照射在物体上时会在物体的后面产生阴影，物体后面的处在阴影区域中的背景就被物体挡住了不能被探测到。理想的电磁波隐身技术能够使电磁波能够绕过被隐身的物体，并在物体的另一边按照原来的路径出射，从而使物体的后面不产生任何阴影，物体后面的背景或者其他物体也因此不会被前面的物体挡住，这种情况下相当于物体不存在的情况、也即电磁波没有照射到物体上的情况一样，从而使物体得到完美的隐身。

目前已有的隐身技术，比如像隐形飞机等采用的隐身技术，并不是消除飞机在雷达波照射下的阴影，而是在微波波段，通过在物体表面涂抹能吸收雷达波的材料让反射回去的电磁波达到最小，来防止飞机被雷达发现，从而实现隐形。在光波段，现有的隐身技术主要还是军事迷彩等，然而，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。已有的一些电磁波隐身器件，通过利用介质材料控制电磁波传播轨迹，从而实现单向或多个方向的隐身效果，但是，这些隐身器件需要成块的介质材料，隐身器件需要很大的尺寸，不仅不易携带，而且需要消耗大量的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁波光栅隐身器件，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：

本发明电磁波多方向光栅隐身器件包括八个第一光栅和四个第二光栅，所述第一光栅和第二光栅对入射的电磁波是透明的，第一光栅和第二光栅的一面为光面，另一面为锯齿面，锯齿面上的每个“锯齿”有第一平面和第二平面，锯齿面的各顶楞分别为每个“锯齿”的第一平面和第二平面在顶部垂直相交的楞，锯齿面的底楞分别为相邻的两个“锯齿”中的一个“锯齿”的第二平面与另一个“锯齿”的第一平面在底部的相交楞，第一光栅和第二光栅的首端的边楞为首端的“锯齿”的第一平面与光面的相交楞，第一光栅和第二光栅的尾端的边楞为尾端的“锯齿”的第二平面与光面的相交楞，第一光栅的第一平面与光面的夹角大于45°且小于90°，第二光栅的第一平面与光面的夹角等于45°；四个第二光栅首尾相接共同围成一个中空的长方体，相邻的两个第二光栅中的一个第二光栅的首端的边楞与另一个第二光栅的尾端的边楞重合，各第二光栅的光面为该长方体的内壁；八个第一光栅置于所述长方体内，且每两个第一光栅与一个第二光栅共同围成一个中空的三棱柱；每个三棱柱中，两个第一光栅的首端的边楞重合，其中一个第一光栅的尾端的边楞与第二光栅的首端的边楞重合，另一个第一光栅的尾端的边楞与第二光栅的尾端的边楞重合，三棱柱的内壁为构成其的各光栅的光面。

进一步地，使用本发明隐身器件时，入射的电磁波波束与第二光栅的锯齿的第一平面或第二平面垂直。

进一步地，本发明所述第一光栅、第二光栅、背景介质之间满足如下式(1)至式(4)所示的关系：

γ+α＝β＝45° (3)

其中，在式(1)至(4)中，n_第一表示第一光栅的折射率；n_第二表示第二光栅的折射率；n_背景表示背景介质的折射率；α表示第一光栅的第二平面与光面的夹角；β表示第二光栅的第一平面与光面的夹角；γ表示三棱柱中，第一光栅的光面与第二光栅的光面之间的夹角；L_A表示第一光栅的光面的宽度，L_B表示第二光栅的光面的宽度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过八个第一光栅和四个第二光栅围成整个电磁波光栅隐身器件，第一光栅和第二光栅的一面为光面，另一面为锯齿面。第一光栅和第二光栅的锯齿面上的每个锯齿呈“直角三角形”状，且第一光栅的第一平面与光面的夹角大于45°且小于90°，第二光栅的第一平面、第二平面与光面的夹角均为45°。四个第二光栅首尾相接共同围成一个中空的长方体，八个第一光栅置于长方体内，且每两个第一光栅与一个第二光栅共同围成一个中空的三棱柱，每个三棱柱中，两个第一光栅的首端的边楞重合，其中一个第一光栅的尾端的边楞与第二光栅的首端的边楞重合，另一个第一光栅的尾端的边楞与第二光栅的尾端的边楞重合，由此两个第一光栅构成镜像对称。由第一光栅和第二光栅共同构成的上述结构，在同一电磁波束由背景介质以垂直于第二光栅的锯齿的任一平面的方向入射时，具有不同折射率的第一光栅和第二光栅能够控制电磁波束的照射方向和行进轨迹，在隐身器件的中心形成一个长方体的隐身区域，该长方体隐身区域的各侧楞分别为每个三棱柱中两个第一光栅重合的首端的边楞。(2)本发明整个电磁波光栅隐身器件只需要若干薄的光栅即可实现隐身效果，器件体积小，携带方便，节约成本，使用灵活。(3)在隐身器件工作时，通过第一光栅和第二光栅来控制电磁波的轨迹，不需要外加电源等设备，性能稳定。(4)本发明电磁波光栅隐身器件的隐身区域呈长方体状，具有四个方向隐身效果，可适用于整个电磁波段。

附图说明

图1(a)是本发明电磁波光栅隐身器件的第一光栅的结构示意图；

图1(b)是图1(a)的A-A截面图；

图2(a)是本发明电磁波光栅隐身器件的第二光栅的结构示意图；

图2(b)是图2(a)的A-A截面图；

图3是本发明电磁波光栅隐身器件的一种实施方式的整体结构示意图；

图4是电磁波束通过图3所示的电磁波光栅隐身器件时的隐身效果示意图(俯视)；

图5是电磁波束在图3所示的电磁波光栅隐身器件中传播的轨迹图；

图中，α.第一光栅的第二平面与光面的夹角；δ.第一光栅的第一平面与光面的夹角；1.第一光栅的光面；2.第一光栅的锯齿面；201.第一光栅的锯齿的第一平面；202.第一光栅的锯齿的第二平面；BB'.第一光栅的顶楞；CC'.第一光栅的尾端的边楞；HH'.第一光栅的首端的边楞；∠DBC.第一光栅的锯齿的顶角；L_A.第一光栅的光面的宽度；β第二光栅的第一平面与光面的夹角；3.第二光栅的.光面；4.第二光栅的锯齿面；401.第二光栅的锯齿的第一平面；402.第二光栅的锯齿的第二平面；EE'.第二光栅的顶楞；FF'.第二光栅的尾端的边楞；L_B.第二光栅的光面的宽度；∠GEF.第二光栅的锯齿的顶角；FF'.第二光栅的尾端的边楞；II'.第二光栅的首端的边楞；EE'F'F.第二光栅的锯齿的第二平面；EGG'E'.第二光栅的锯齿的第一平面；5、6、8、9、11、12、14、15.第一光栅；7、10、13、16.第二光栅；17.隐身区域；18a.电磁波束入射前在背景介质中的轨迹；18b.电磁波束经过第一个第二光栅后在背景介质中的轨迹；18c.电磁波束经过第一个第一光栅后在背景介质中的轨迹；18d.电磁波束经过第二个第一光栅后在背景介质中的轨迹；18e.电磁波束经过第二个第二光栅后出射到背景介质后的轨迹；γ.第一光栅的光面与第二光栅的光面之间的夹角；θ_1入.电磁波束从背景介质入射到第一个第二光栅16时的入射角(即入射波束与界面法线的夹角)；θ_1出.电磁波束经过第一个第二光栅16后的出射角(即折射波束与界面法线的夹角)；θ_2入.电磁波束经由第二光栅16、背景介质入射到第一个第一光栅5的入射角；θ_2出.电磁波束经由第一个第一光栅5后的出射角。

具体实施方式

电磁波是指由同相震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。本发明所指的电磁波包括电磁辐射所有可能的频率，按照频率分类，从低频到高频，电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和伽马射线等等，电磁波是无限的，而且是连续的。其中人眼可以接受的电磁波，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。电磁波经过两个不同折射率的介质时，会在交界面发生折射。在不同的介质中，电磁波的传播速度各不相同。两种介质相比时，电磁波传播速度大的介质折射率较小，电磁波传播速度小的介质折射率较大。光栅的一面为光面，另一面为锯齿面，电磁波经过光栅表面时会发生折射，从而使电磁波发生偏移。

如图1(a)和图1(b)所示，第一光栅的一面为光面1，另一面为锯齿面2。所谓“锯齿面”是指第一光栅的横截面(即图1(a)的A-A截面)朝锯齿面2的一侧呈如图1(b)所示的锯齿状，每个“锯齿”呈“直角三角形”状，“锯齿”的顶角(如∠DBC)为90°；锯齿面上的每个“锯齿”有第一平面201和第二平面202；第一光栅的锯齿面2上，顶部凸起的楞为第一光栅的顶楞BB'，锯齿面的各顶楞BB'分别为每个“锯齿”的第一平面201和第二平面202在顶部垂直相交的楞，锯齿面的底楞DD'分别为相邻的两个“锯齿”中的一个“锯齿”的第二平面202与另一个“锯齿”的第一平面201在底部的相交楞，第一光栅的首端的边楞HH'为首端的“锯齿”的第一平面201与光面1的相交楞，第一光栅的尾端的边楞CC'为尾端的“锯齿”的第二平面202与光面1的相交楞。第一光栅的第一平面201与光面1的夹角δ(亦即直角边BD与光面1的夹角)大于45°且小于90°，第一光栅的第二平面202与光面1的夹角α(亦即直角边BC与光面1的夹角)与光面1的夹角小于45°，α与δ的和为90°。

同样，如图2(a)和图2(b)所示，第二光栅的一面为光面3，另一面为锯齿面4；第二光栅的横截面朝锯齿面的一侧呈如图2(b)所示的锯齿状，每个“锯齿”呈“直角三角形”状，“锯齿”的顶角(如∠GEF)为90°；锯齿面上的每个“锯齿”有第一平面401和第二平面402；第二光栅的锯齿面4上，顶部凸起的楞为第二光栅的顶楞EE'，锯齿面的各顶楞EE'分别为每个“锯齿”的第一平面401和第二平面402在顶部垂直相交的楞，锯齿面的底楞GG'分别为相邻的两个“锯齿”中的一个“锯齿”的第二平面402与另一个“锯齿”的第一平面401在底部的相交楞，第二光栅的首端的边楞II'为首端的“锯齿”的第一平面401与光面3的相交楞，第二光栅的尾端的边楞FF'为尾端的“锯齿”的第二平面402与光面3的相交楞。第二光栅的第一平面401与光面3的夹角β(亦即直角边EI与光面3的夹角)等于45°，第二光栅的第二平面402与光面3的夹角β(亦即直角边EF与光面3的夹角)与光面3的夹角等于45°。

图3示出的是本发明电磁波光栅隐身器件的一种实施方式的整体结构示意图，它由八个对入射电磁波是透明的第一光栅5、6、8、9、11、12、14、15和四个对入射电磁波是透明的第二光栅7、10、13、16构成。

具体地说，如图3所示，四个第二光栅7、10、13、16首尾相接共同围成一个中空的长方体，相邻的两个第二光栅中的一个第二光栅的首端的边楞II'与另一个第二光栅的尾端的边楞FF'重合，例如，第二光栅10和第二光栅13为相接的两个相邻光栅，第二光栅10的首端的边楞为II'，第二光栅13的尾端的边楞为FF'，当第二光栅13的尾端与第二光栅10的首端相接时，FF'和II'重合在一起，其中，F与I重合，F'与I'重合。各第二光栅的光面3为该长方体的内壁，各第二光栅的锯齿面为长方体的外壁。八个第一光栅5、6、8、9、11、12、14、15置于所述长方体内，且每两个第一光栅与一个第二光栅共同围成一个中空的三棱柱；每个三棱柱中，两个第一光栅的首端的边楞HH'重合，其中一个第一光栅的尾端的边楞CC'与第二光栅的首端的边楞II'重合，另一个第一光栅的尾端的边楞CC'与第二光栅的尾端的边楞FF'重合。例如，第一光栅5的首端的边楞HH'和相邻的另一个第一光栅15的首端的边楞HH'相互重合，第一光栅5的尾端的边楞CC'与第二光栅16的首端的边楞II'重合，第一光栅15的尾端的边楞CC'与第二光栅16的尾端的边楞FF'重合。各三棱柱的内壁为构成其的各光栅的光面，锯齿面为三棱柱的外壁。

若将本发明隐身器件置于相匹配的背景介质中时，当电磁波束与第二光栅的锯齿的第二平面EE'F'F或第一平面EII'E'的方向垂直入射时，在隐身器件的中心区域形成一个长方体的隐身区域17，四个三棱柱中的第一光栅的首端的边楞HH'则为长方体隐身区域17的四条侧楞。隐身区域17可用来放置被隐身的物体。

众所周知，当电磁波束入射到两种不同介质的交界面时，会发生折射，折射的方向跟电磁波入射的角度和两种介质的折射率有关，即遵循斯奈尔定律n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，其中，n₁和n₂分别为入射电磁波和折射电磁波所在介质的折射率，θ₁和θ₂分别为电磁波的入射角和折射后的出射角。相对而言，交界面两边介质的折射率相差越大，电磁波在这一交界面出射时相对于入射时发生的偏移越大。电磁波在各向异性介质交界面处的折射情况与入射电磁波的极化方向有关。与各向异性介质的情况不同，本发明电磁波光栅隐身器件所用的第一光栅和第二光栅都是各向同性的，在这些介质的交界面处的折射与电磁波的极化方向无关，所以本发明电磁波光栅隐身器件的隐身效果与电磁波的极化方向无关，可以对全极化电磁波实现隐身。

以下结合图4和图5详细说明电磁波束从背景介质入射到如图3所示的电磁波光栅隐身器件所经历的轨迹。以图4作为示例，假设电磁波束在背景介质中沿水平方向从左至右入射到本发明电磁波光栅隐身器件，此时电磁波束垂直于第二光栅13的锯齿的第一平面401和第二光栅16的锯齿的第二平面402方向。电磁波束的传播可以形象地用很多平行的射线来表示。这些射线表示所在位置处的电磁波束的传播特性，射线的方向表示在射线所在位置处的电磁波束的能量的传播方向，也即坡印廷矢量的方向，射线也可以表示为在射线位置处的电磁波束的传播轨迹，所有这些平行的射线的传播也形象地构成了总的电磁波束的传播特性。

电磁波束在本发明电磁波光栅隐身器件中的传播也可以由很多平行射线表示。这些平行射线在本发明电磁波光栅隐身器件的各个区域的传播轨迹也形象地构成了整个电磁波束在本发明电磁波光栅隐身器件的相应区域的传播轨迹。以电磁波束18(包括轨迹18a、18b、18c、18d和18e)为例，其他平行电磁波束在本发明电磁波光栅隐身器件的各个区域的传播轨迹分别与电磁波束18在本发明电磁波光栅隐身器件的各个区域的传播轨迹平行，因此可以作类似分析。在电磁波束18中，18a表示的是电磁波束入射到本发明电磁波光栅隐身器件前在背景介质中的轨迹，轨迹18a与第二光栅13的锯齿的第一平面401和第二光栅16的锯齿的第二平面402垂直。当电磁波束18a从背景介质入射到该电磁波光栅隐身器件的外壁时，由于电磁波束18a与第二光栅的锯齿上的第一平面或第二平面的方向垂直，所以电磁波束18a按照原来的轨迹继续入射。电磁波在第二光栅16的光面与背景介质的交界面处发生折射，电磁波束18a在背景介质内偏移到如轨迹18b所在位置。电磁波束18b经过背景介质与第一光栅16的交界面时发生第二次折射，电磁波束18b在第一光栅16内再度发生偏移至轨迹18c所在的位置。此时电磁波束18c的轨迹方向恰好能与入射到本发明电磁波光栅隐身器件前的轨迹18a的方向平行且有一个水平位移。偏移后的电磁波束18c经过第一光栅6与背景介质的交界面处发生第三次折射，电磁波束18c在背景介质内偏移至轨迹18d所在位置。当电磁波束18d继续经过背景介质与第二光栅7的交界面时发生第四次折射，电磁波束18d在第二光栅7内偏移至轨迹18e所在的位置。此时，电磁波束18e与第二光栅7的锯齿面上的一个平面垂直，按照轨迹18e的方向从第二光栅7出射到背景介质中，且轨迹18e与入射时的轨迹18a的延伸线重合，即电磁波束18在入射到本发明电磁波光栅隐身器件前的轨迹18a与出射时的轨迹18e在同一直线上。由于其他电磁波束在本发明电磁波光栅隐身器件的各个区域的传播轨迹分别与电磁波束18在本发明电磁波光栅隐身器件的各个区域的传播轨迹平行，它们在入射到本发明电磁波光栅隐身器件前的轨迹与出射时各自的轨迹都在相应的同一直线上，没有发生任何改变。因此电磁波束入射到本发明电磁波光栅隐身器件前的轨迹与出射时的轨迹相比也没有发生任何改变。

以上结合图4分析了电磁波由背景介质以垂直于第二光栅16的锯齿上的第二平面的方向入射后，继续依次经由背景介质、第一光栅12、背景介质、第一光栅6、背景介质、第二光栅7后出射到背景介质的轨迹。由于对称性，显然可以确定，电磁波由背景介质入射到第二光栅13的第一平面后，再依次经由背景介质、第一光栅12、背景介质、第一光栅11、背景介质、第二光栅10，最后出射到背景介质。因此，电磁波束入射到本发明电磁波光栅隐身器件时，从第二光栅16入射的波束将向上偏转，从第二光栅13入射的波束将向下偏转，从而绕过中间部分的隐身区域17，并且电磁波束从隐身器件出射后的轨迹与入射到隐身器件时的轨迹在同一直线上，从而使隐身区域17内的物体达到隐身。可见，所有电磁波进入本发明电磁波光栅隐身器件后均经过多次的折射而绕过中间的隐身区域17，从而使隐身区域17内的物体不可见，并且同一波束在出射时的轨迹与入射时的轨迹在同一直线上，如同没有受到任何阻碍一般，因此起到了很好的隐身效果。

以下结合图5举例说明本发明电磁波光栅隐身器件的结构参数及各光栅的折射率之间的关系。假定第一光栅的折射率为n_第一，第二光栅的折射率为n_第二，背景介质的折射率为n_背景，第一光栅的第二平面与光面的夹角为α，第二光栅的第一平面与光面的夹角为β；三棱柱中，第一光栅的光面与第二光栅的光面之间的夹角为γ。第一光栅的光面的宽度为L_A，第二光栅的光面的宽度L_B。当电磁波束以图5所示的水平方向从背景介质入射到第二光栅16时，在第二光栅16的光面与背景介质处发生折射时的入射角为θ_1入、出射角为θ_1出，根据斯奈尔定律，n_第二sin(θ_1入)＝n_背景sin(θ_1出)。当折射后的电磁波束继续入射到背景介质与第一光栅5的交界面时再次发生折射，入射角为θ_2入＝θ_1出-γ、出射角为θ_2出，根据斯奈尔定律，n_背景sin(θ_2入)＝n_第一sin(θ_2出)。当折射后的电磁波束继续入射到第一光栅6的光面与背景介质的交界面时发生第三次折射，入射角为θ_3入＝α，根据斯奈尔定律，n_第一sin(θ_3入)＝n_背景sin(θ_3出)。综合以上公式，可得到：

此外，根据几何结构，可得到α+γ＝β＝45°。同时，为保证在第二光栅16的电磁波束能入射到第一光栅5与背景介质的交界面，本发明隐身器件所应用的背景介质的折射率需要满足以下公式：

假设第二光栅的折射率采用n_第二＝1.33、第一光栅的第二平面与光面的夹角采用α＝30°、γ＝8°以及第一光栅的折射率n_第一＝1.64，由以上公式可以得到：背景介质的折射率为n_背景＝1。在实际应用中，可以根据隐身器件的结构参数来选择隐身器件所在的背景介质。

虽然图4、图5中只示出了电磁波束从左边水平入射时的情况，但是由于本发明电磁波光栅隐身器件的外层由四个第二光栅构成，具有四重对称性，电磁波束可以从任何角度以垂直于第二光栅的锯齿的第一平面或第二平面的方向电磁波光栅隐身器件入射，均具有同样的隐身效果，因此，本发明电磁波光栅隐身器件能实现在四个方向上隐身的效果。

Claims (3)

1.一种电磁波多方向光栅隐身器件，其特征是：它包括八个第一光栅和四个第二光栅，所述第一光栅和第二光栅对入射的电磁波是透明的，第一光栅和第二光栅的一面为光面，另一面为锯齿面，锯齿面上的每个“锯齿”有第一平面和第二平面，锯齿面的各顶楞分别为每个“锯齿”的第一平面和第二平面在顶部垂直相交的楞，锯齿面的底楞分别为相邻的两个“锯齿”中的一个“锯齿”的第二平面与另一个“锯齿”的第一平面在底部的相交楞，第一光栅和第二光栅的首端的边楞为首端的“锯齿”的第一平面与光面的相交楞，第一光栅和第二光栅的尾端的边楞为尾端的“锯齿”的第二平面与光面的相交楞，第一光栅的第一平面与光面的夹角大于45°且小于90°，第二光栅的第一平面与光面的夹角等于45°；

四个第二光栅首尾相接共同围成一个中空的长方体，相邻的两个第二光栅中的一个第二光栅的首端的边楞与另一个第二光栅的尾端的边楞重合，各第二光栅的光面为该长方体的内壁；八个第一光栅置于所述长方体内，且每两个第一光栅与一个第二光栅共同围成一个中空的三棱柱；每个三棱柱中，两个第一光栅的首端的边楞重合，其中一个第一光栅的尾端的边楞与第二光栅的首端的边楞重合，另一个第一光栅的尾端的边楞与第二光栅的尾端的边楞重合，三棱柱的内壁为构成其的各光栅的光面。

2.根据权利要求1所述的电磁波多方向光栅隐身器件，其特征是：入射的电磁波波束与第二光栅的锯齿的第一平面或第二平面垂直。

3.根据权利要求2所述的电磁波多方向光栅隐身器件，其特征是，所述第一光栅、第二光栅、背景介质之间满足如下式(1)至式(4)所示的关系：

γ+α＝β＝45° (3)

其中，在式(1)至(4)中，n_第一表示第一光栅的折射率；n_第二表示第二光栅的折射率；n_背景表示背景介质的折射率；α表示第一光栅的第二平面与光面的夹角；β表示第二光栅的第一平面与光面的夹角；γ表示三棱柱中，第一光栅的光面与第二光栅的光面之间的夹角；L_A表示第一光栅的光面的宽度，L_B表示第二光栅的光面的宽度。

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