CN112003024B - 温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 - Google Patents
温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112003024B CN112003024B CN202010668433.XA CN202010668433A CN112003024B CN 112003024 B CN112003024 B CN 112003024B CN 202010668433 A CN202010668433 A CN 202010668433A CN 112003024 B CN112003024 B CN 112003024B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal
- dielectric plate
- temperature
- dielectric
- stealth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 125
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 23
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 240000007182 Ochroma pyramidale Species 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 229910002112 ferroelectric ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种温度调控二维全向金属‑介质复合隐身器件及其制作方法，其中，隐身器件包括隐身器件主体和温度控制系统，隐身器件主体包括第一电介质板、第二电介质板和环形金属十字阵列；第一电介质板和第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构；第一电介质板的两侧面上分别附着N层环形金属十字阵列，每层环形金属十字阵列包括多个长方体晶格单元；温度控制系统用于控制隐身器件主体所处的环境温度，以改变第一电介质板本身的介电常数，使隐身器件主体的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件工作频率的调谐。本发明实现对不同频段的电磁波的隐身，适用范围大、控制方便、结构简单合理、装配方便且结构稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波控制技术领域，尤其是涉及一种温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法。
背景技术
传统的隐身技术是利用吸波材料减少对雷达波的反射来实现隐身，但在面对地空雷达以及多基地雷达等更为先进的探测技术时，通常难以继续保持隐身效果。近年来逐渐兴起的基于变换光学的隐身技术为解决这一难题带来了希望。利用特定空间分布的各向异性电磁参数，变换光学隐身器件能够控制电磁波的传播路径，使其在隐身介质中传播时绕过隐身区域，并且在出射时回到原来的入射方向，使得空间中的电磁场分布与该区域内没有物体时无异，从而实现真正意义上的完美隐身。
然而，基于变换光学的隐身器件需要非均匀及各向异性的复杂电磁参数，目前所实现的电磁波隐身器件一般采用相位近似的方法减小非均匀性，并通过规定入射波偏振方向的方式将隐身器件的工作范围从三维空间降至二维空间，以使非均匀及各向异性的电磁参数得到简化。尽管如此，简化后的参数仍然需要借助于人工构造的电磁超材料来实现。现有的超材料利用电磁谐振来实现特定的等效电磁参数，具有严重的色散特性，其结构一旦确定，工作频段也随之固定，工作频率难以调谐；超材料不同方向上电磁谐振间的耦合使得对等效各向异性电磁参数的精准调控较为困难，需要消耗大量的时间和计算资源来对结构进行优化设计；此外超材料往往需要借助于支撑框架或基板来实现电磁谐振单元的周期性空间分布，这容易引起装配误差并且降低了结构稳定性，限制了隐身器件的应用范围。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，实现了对不同频段的电磁波的隐身，适用范围大、控制方便、结构简单合理、装配方便且结构稳定性高。
根据本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，包括：
隐身器件主体，所述隐身器件主体包括第一电介质板、第二电介质板和环形金属十字阵列；其中，所述第一电介质板的介电常数高于所述第二电介质板的介电常数，所述第一电介质板和所述第二电介质板均为圆环柱状，所述第一电介质板和所述第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，所述层状堆叠结构为具有圆柱状空间的圆环柱状体；所述第一电介质板的两侧面上分别附着N层所述环形金属十字阵列，所述N为大于1的整数，每层所述环形金属十字阵列包括多个长方体晶格单元，其中，每个所述晶格单元内包含有两个对称分布于所述第一电介质板两侧面的金属十字，每层所述环形金属十字阵列的所述晶格单元和单元内的所述金属十字的几何尺寸相同，不同层所述环形金属十字阵列的所述晶格单元和单元内的所述金属十字的几何尺寸不同；
温度控制系统，所述温度控制系统用于控制所述隐身器件主体所处的环境温度，以改变所述第一电介质板本身的介电常数，使所述隐身器件主体的频率特性曲线发生移动，实现对所述隐身器件工作频率的调谐。
根据本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，由于金属十字在交变电磁场中会产生磁谐振的特性，第一电介质板与第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，第一电介质板的两侧面上分别附着金属十字阵列，这样，当隐身器件主体位于电磁波照射下，金属十字会在交变电磁场中产生磁谐振，在谐振峰附近能够实现沿金属十字两条金属臂方向的等效各向异性磁导率，并且第一电介质板与第二电介质板的层状堆叠结构实现沿垂直堆叠方向上的等效介电常数，隐身器件可以满足变换光学理论所要求的各向异性电磁参数分布，控制电磁波传播路径与相位，从而实现对圆柱状空间内部障碍物对平面内单方向入射的电磁波隐身；通过温度控制系统控制隐身器件主体温度，以改变第一电介质板本身的介电常数，从而改变金属十字的谐振特性，使得金属十字的等效磁导率色散曲线发生移动，这样，可以使隐身器件的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件工作频率的调谐，从而实现对不同频段的电磁波的隐身。此外，隐身器件采用层状堆叠结构而不需要额外的支撑框架或基板，结构简单。综上，本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件可以实现对不同频段的电磁波的隐身，适用范围大、控制方便、结构简单合理、装配方便且结构稳定性高。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述第一电介质板的介电常数随温度的变化而变化，并且所述第一电介质板的介电常数的数值大于50。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述第二电介质板的介电常数范围为0.8～2.0。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述隐身器件主体以zrθ柱坐标系为参考时，其中，z轴为所述隐身器件主体的轴向方向，r轴为所述隐身器件主体的径向方向，θ轴为所述隐身器件主体的切向方向，所述金属十字阵列中的所述金属十字的两条金属臂分别平行于r轴方向和θ轴方向。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述隐身器件在电场始终在Z轴方向偏振的情况下需要各向异性及梯度分布的电磁参数为按照如下公式得到：
其中，μr为径向的磁导率；
μθ为切向的磁导率；
εz为轴向的介电常数；
ra为所述隐身器件主体的内部边界的半径；
rb为所述隐身器件主体的外部边界的半径；
r为所述隐身器件主体的中第1至第N层中任意一层所述金属十字环形阵列的圆环半径。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述金属十字阵列中的单个所述金属十字沿r轴和θ轴方向的两条金属臂长度不同。
根据本发明第一方面进一步的实施例，所述晶格单元的几何尺寸小于工作频率下电磁波波长的1/5。
根据本发明第一方面的一个实施例，所述隐身器件的工作频率随所述环境温度变化而改变。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述温度控制系统包括加热/冷却板，所述加热/冷却板设置在所述隐身器件主体的一端端部处；或者，所述温度控制系统为基于热对流或热辐射的温度调控装置。
本发明第二方面还提出了一种温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件的制作方法。
根据本发明第二方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件的制作方法，所述温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件为本发明第一方面任意一个实施例中所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，所述制作方法包括如下步骤：
采用机加工的方式加工出所需几何尺寸的所述第一电介质板和所述第二电介质板；
在所述第一电介质板两侧面上加工出所述金属十字阵列；
将附着有所述金属十字阵列的所述第一电介质板和所述第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，得到所述隐身器件主体；
将所述隐身器件主体置于所述温度控制系统中。
根据本发明第二方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件的制作方法，选用高介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第一电介质板，选用低介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第二电介质板；通过印刷电路板、微加工或3D打印等方式在第一电介质板的两侧加工出所需金属十字阵列，将附着有金属十字阵列的第一电介质板和第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，得到隐身器件主体，将隐身器件主体置于温度控制系统中，将需要隐身的物体置于隐身器件主体内的圆柱状空间中。由此，温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件制作简单，装配方便，通过温度控制系统控制隐身器件主体温度，以改变第一电介质板本身的介电常数，从而改变十字金属的谐振特性，使得金属十字的等效磁导率色散曲线发生移动，这样，可以使隐身器件的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件工作频率的调谐，从而实现对不同频段的电磁波的隐身。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一方面实施例的电场调控二维全向金属-介质复合隐身器件的结构示意图。
图2为图1中A处的放大示意图。
图3为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件中长方体晶格单元的结构示意图。
图4为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件中第一电介质板和金属十字的装配示意图。
图5为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件中层状堆叠结构的结构示意图。
图6为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件对平面电磁波的隐身效果图。
图7为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件对柱面电磁波的隐身效果图。
图8为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件的隐身器件主体中一个长方体晶格单元的等效磁导率
和等效介电常数
的色散曲线。
图9为本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件的工作频率随温度变化而变化的示意图。
图10为障碍物的散射截面随频率变化的示意图，其中，实线为障碍物位于圆柱状空间中时的散射截面随频率变化的曲线，虚线为只有障碍物而无隐身器件时的散射截面随频率变化的曲线。
附图标记：
隐身器件1000
隐身器件主体1
层状堆叠结构11 圆柱状空间111 圆环柱状体112 第一电介质板113
第二电介质板114 金属十字阵列12 金属十字121 金属臂1211 晶格单元13
温度控制系统2
平面电磁波发射源3 平面电磁波31
柱面电磁波发射源4 柱面电磁波41
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合图1至图10来描述本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000。
如图1至图5所示，根据本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000，包括隐身器件主体1和温度控制系统2，隐身器件主体1包括第一电介质板113、第二电介质板114和环形金属十字阵列12；其中，第一电介质板113的介电常数高于第二电介质板114的介电常数，第一电介质板113和第二电介质板114均为圆环柱状，第一电介质板113和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构11，层状堆叠结构11为具有圆柱状空间111的圆环柱状体112；第一电介质板113的两侧面上分别附着N层环形金属十字阵列12，N为大于1的整数，每层环形金属十字阵列12包括多个长方体晶格单元13，其中，每个晶格单元13内包含有两个对称分布于第一电介质板113两侧面的金属十字121，每层环形金属十字阵列12的晶格单元13和单元内的金属十字121的几何尺寸相同，不同层环形金属十字阵列12的晶格单元13和单元内的金属十字121的几何尺寸不同；温度控制系统2用于控制隐身器件主体所处的环境温度，以改变第一电介质板113本身的介电常数，使隐身器件主体1的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐。
具体地，隐身器件主体1包括第一电介质板113、第二电介质板114和环形金属十字阵列12；其中，第一电介质板113的介电常数高于第二电介质板114的介电常数，第一电介质板113和第二电介质板114均为圆环柱状，第一电介质板113和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构11，层状堆叠结构11为具有圆柱状空间111的圆环柱状体112；第一电介质板113的两侧面上分别附着N层环形金属十字阵列12，N为大于1的整数，每层环形金属十字阵列12包括多个长方体晶格单元13，其中，每个晶格单元13内包含有两个对称分布于第一电介质板113两侧面的金属十字121，每层环形金属十字阵列12的晶格单元13和单元内的金属十字121的几何尺寸相同，不同层环形金属十字阵列12的晶格单元13和单元内的金属十字121的几何尺寸不同。可以理解的是，第一电介质板113与第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构11，第一电介质板113的两侧面上分别附着金属十字阵列12，这样，当隐身器件主体1位于交变磁场中，金属十字121会在交变电磁场中产生磁谐振，能够实现沿金属十字121的金属臂1211方向的等效各向异性磁导率，并且第一电介质板113与第二电介质板114的层状堆叠结构11能够实现沿垂直堆叠方向上的等效介电常数，隐身器件1000可以满足变换光学理论所要求的各向异性电磁参数分布，控制电磁波传播路径与相位，从而实现对圆柱状空间111内部障碍物的隐身；优选地，第一电介质板113的介电常数远远高于第二电介质板114的介电常数。
温度控制系统2用于控制隐身器件主体所处的环境温度，以改变第一电介质板113本身的介电常数，使隐身器件主体1的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐。可以理解的是，由于第一电介质板113具有本身的介电常数随所处温度的变化而改变的特性，所以通过温度控制系统2控制隐身器件主体1所处的环境温度，可以改变金属十字121的谐振特性，使得金属十字121的等效磁导率色散曲线发生移动，从而使得隐身器件1000的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐，实现对不同频段电磁波的隐身。
根据本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000，由于金属十字121在交变电磁场中会产生磁谐振的特性，第一电介质板113与第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构11，第一电介质板113的两侧面上分别附着金属十字阵列12，这样，当隐身器件主体1位于电磁波照射下，金属十字121会在交变电磁场中产生磁谐振，在谐振峰附近能够实现沿金属十字121两条金属臂1211方向的等效各向异性磁导率，并且第一电介质板113与第二电介质板114的层状堆叠结构11实现沿垂直堆叠方向上的等效介电常数，隐身器件1000可以满足变换光学理论所要求的各向异性电磁参数分布，控制电磁波传播路径与相位，从而实现对圆柱状空间111内部障碍物对平面内单方向入射的电磁波隐身；通过温度控制系统2控制隐身器件主体1温度，以改变第一电介质板113本身的介电常数，从而改变金属十字121的谐振特性，使得金属十字121的等效磁导率色散曲线发生移动，这样，可以使隐身器件1000的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐，从而实现对不同频段的电磁波的隐身。此外，隐身器件1000采用层状堆叠结构11而不需要额外的支撑框架或基板，结构简单。综上，本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000可以实现对不同频段的电磁波的隐身，适用范围大、控制方便、结构简单合理、装配方便且结构稳定性高。
根据本发明第一方面的一个实施例，第一电介质板113的介电常数随温度的变化而变化，并且第一电介质板的介电常数的数值大于50。可以理解的是，由于高介电常数电介质板的介电常数会跟随温度变化而明显变化，第一电介质板113应该选用温度系数大的高介电常数电介质板，由此通过调节温度可以明显的调节第一电介质板113的介电常数，例如，第一电介质板113可以为温度系数大于500ppm/℃，介电常数大于50的铁电陶瓷材料。
根据本发明第一方面进一步的实施例，第二电介质板114的介电常数范围为0.8～2.0。具体地，第二电介质板114的介电常数可以为0.8、1.0或1.2，第二电介质板114应选用介电常数远低于第一电介质板113的低介电常数电介质板，例如，轻木或含氟聚合物泡沫等，可以有效地减少对入射电磁波的干扰。
根据本发明第一方面的一个实施例，隐身器件主体1以zrθ柱坐标系为参考时，其中，z轴为隐身器件主体的轴向方向，r轴为隐身器件主体的径向方向，θ轴为隐身器件主体的切向方向，金属十字阵列12中的金属十字121的两条金属臂1211分别平行于r轴方向和θ轴方向。具体地，隐身器件主体1以zrθ柱坐标系为参考时，金属十字121中平行于r轴方向的金属臂1211用于实现θ轴方向的磁谐振，平行于θ轴方向的金属臂1211用于实现r轴方向的磁谐振，这使得长方体晶格单元13在r轴和θ轴方向上分别具有各向异性的等效磁导率，例如，第j层的长方体晶格单元13在r轴和θ轴方向上的各向异性的等效磁导率分别为
和
根据本发明第一方面进一步的实施例，隐身器件1000在电场始终在Z轴方向偏振的情况下需要各向异性及梯度分布的电磁参数为按照如下公式得到：
其中，μr为径向的磁导率；
μθ为切向的磁导率；
εz为轴向的介电常数；
ra为隐身器件主体1的内部边界的半径；
rb为隐身器件主体1的外部边界的半径；
r为隐身器件主体1的中第1至第N层中任意一层金属十字121环形阵列的圆环半径。
可以理解的是，根据变换光学原理，当确定隐身器件主体11内部边界和外部边界的半径ra和rb后，通过理想电磁参数公式计算隐身器件主体1各处所要求的特定的各向异性及梯度分布的介电常数和磁导率，理想电磁参数公式通过柱坐标的形式来表示，隐身器件1000在电场始终在z轴方向偏振的情况下需要各向异性及梯度分布的电磁参数可以按照如下理想电磁参数公式得到：
该理想电磁参数是随位置变化而连续变化的，这是利用超材料所无法实现的，因此需要对隐身器件主体1内的电磁参数进行离散化处理，即将隐身器件主体11划分成多层环形区域，令每层环形区域内的电磁参数保持不变且等于该圆环形区域内部边界与外部边界之间中间处的电磁参数值。
根据楞次定律和电磁感应定律，处在交变磁场中的金属十字121中会产生交变电流，分布于第一电介质板113两侧的每对金属十字121的金属臂1211中电流方向相反，从而能够在垂直于金属臂1211的两个方向上产生磁谐振，因此利用金属十字阵列12中平行于r轴方向的金属臂1211来实现θ轴方向的磁导率μθ，利用金属十字阵列12中平行于θ轴方向的金属臂1211来实现r轴方向的磁导率μr，以及利用第一电介质板113与第二电介质板114的层状堆叠结构11来实现z轴方向的磁导率εz。
需要说明的是，每一对金属十字121及其所处的长方体区域内的第一电介质板113和第二电介质板114构成了一个长方体晶格单元13，一个长方体晶格单元13的等效磁导率是入射电磁波频率的函数，而等效介电常数在工作频段几乎不随频率变化而改变。利用金属十字121的磁谐振特性，调节金属十字阵列12的几何参数(金属臂1211的长度、金属臂1211的线宽、金属十字阵列12的周期长度等)，使得在某一工作频段下，金属-介质复合超材料长方体晶格单元13在几个不同方向上的等效磁导率和等效介电常数同时达到变换光学理论所要求的值，并且在离散化后的不同层的环形区域中利用不同尺寸的金属十字121和长方体晶格单元13构造环形阵列，以实现所需要的梯度电磁参数，此时，隐身器件主体1的中的电磁波将绕过圆柱状空间111出射，并且在出射时回到原来的传播方向上，从而实现对电磁波的隐身。由于在交变磁场中，金属十字121内部产生了交变电流，相当于一个RLC串联谐振回路，该串联回路的等效电感L和等效电容C均与第一电介质板113本身的介电常数有关，因此，通过调节温度改变第一电介质板113本身的介电常数，可以改变RLC串联谐振回路的等效电感值与等效电容值，使金属十字121的谐振特性曲线发生移动，这样，每一个金属-介质复合超材料长方体晶格单元13所对应的工作频率也发生相应的移动。而对于任意两个不同的晶格单元13，其工作频率之比只与其金属臂1211的长度之比有关，与第一电介质板113本身的介电常数无关，因此通过温度控制系统2改变第一电介质板113本身的介电常数，每一个晶格单元13的工作频率均发生移动，但任意两个晶格单元13的工作频率均相同，从而达到调谐隐身器件主体1工作频率的目的。
需要说明的是，如图8所示，为隐身器件主体1中一个长方体晶格单元13的等效磁导率
和等效介电常数
的色散曲线。由金属十字阵列12实现的各向异性等效磁导率
和
在磁谐振频率处具有洛仑兹线型的色散曲线，由第一电介质板113与第二电介质板114的层状堆叠结构11实现的等效介电常数
具有几乎非色散的常数值，能够实现一定范围内的等效磁导率和等效介电常数，并且该超材料结构不同方向上的电磁谐振间不存在耦合，能够实现对等效电磁参数的精准设计。
下面以三个具体的例子来描述ra和rb不同时，隐身器件主体1内由内到外每层所需要的各向异性的电磁参数。
取ra为30mm，rb为60mm，将隐身器件主体1离散成层环形区域，则隐身器件主体1由内到外每层所需要的各向异性的电磁参数如下：
| 层数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| μ<sub>r</sub> | 0.017 | 0.107 | 0.222 | 0.339 | 0.449 |
| μ<sub>θ</sub> | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 |
| ε<sub>z</sub> | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 |
进一步地，取ra为30mm，rb为60mm，将隐身器件主体1离散成10层环形区域，则隐身器件主体1由内到外每层所需要的各向异性的电磁参数如下：
| 层数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| μ<sub>r</sub> | 0.005 | 0.034 | 0.080 | 0.134 | 0.193 | 0.252 | 0.310 | 0.367 | 0.422 | 0.475 |
| μ<sub>θ</sub> | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 |
| ε<sub>z</sub> | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 | 2.000 |
进一步地，取ra为30mm，rb为90mm，将隐身器件主体1离散成10层环形区域，则隐身器件主体1由内到外每层所需要的各向异性的电磁参数如下：
| 层数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| μ<sub>r</sub> | 0.012 | 0.080 | 0.167 | 0.254 | 0.337 | 0.412 | 0.479 | 0.540 | 0.595 | 0.644 |
| μ<sub>θ</sub> | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 |
| ε<sub>z</sub> | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 | 1.500 |
下面根据两个具体的例子来描述本发明第一方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000。
将障碍物放在隐身器件1000内的圆柱状区域中，对于平面电磁波发射源3发射的在二维平面内沿任意方向入射的平面电磁波31，温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000对平面电磁波31实现隐身的效果如图6所示，隐身器件1000能控制出射电磁波的等相位面仍为平面，且传播方向与入射电磁波一致，即实现了对平面电磁波31的隐身。
将障碍物放在隐身器件1000内的圆柱状区域中，对于在二维平面内任意位置的柱面电磁波发射源4发射的柱面电磁波41，温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000对柱面电磁波41实现隐身的效果如图7所示，隐身器件1000能控制出射电磁波的等相位面仍为柱面，且传播方向与入射电磁波一致，同样实现了对柱面电磁波41的隐身。
根据本发明第一方面进一步的实施例，金属十字阵列12中的单个金属十字121沿r轴和θ轴方向的两条金属臂1211长度不同。具体地，如图3和图4所示，第j层的金属十字121沿r轴方向的金属臂1211长度为Lr，j，金属十字121沿θ轴方向的金属臂1211长度为Lθ，j，金属十字阵列12沿r轴方向的分布周期为晶体单元13沿r轴方向的长度Pr，j，金属十字阵列12沿θ轴方向的分布周期为晶体单元13沿θ轴方向的长度Pθ，j。
根据本发明第一方面进一步的实施例，晶格单元13的几何尺寸小于工作频率下电磁波波长的1/5。可以理解的是，将长方体晶格单元13的几何尺寸限定在工作频率的电磁波波长的1/5以下，可以满足超材料的等效媒质理论要求，使得长方体晶格单元13能够等效为一种均匀媒质，并可以用等效磁导率和等效介电常数来描述其电磁特性。
需要说明的是，保持金属十字阵列12的几何尺寸、阵列周期以及第一电介质板113和第二电介质板114的厚度不变，将隐身器件主体1的圆柱状空间111和圆环柱状体112的面积等比扩大，或增加隐身器件主体1在z轴方向上金属－介质复合超材料单元的周期个数，这样，可以增大圆柱状空间111(即隐身区域)的范围，实现对大尺寸的障碍物的隐身。
根据本发明第一方面的一个实施例，隐身器件1000的工作频率随环境温度变化而改变。如图9所示，这样，通过温度控制系统2控制隐身器件主体1的温度，可以改变第一电介质板113本身的介电常数，从而改变金属十字121的谐振特性，使得金属十字121的等效磁导率色散曲线发生移动，这样，可以使隐身器件1000的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐，从而实现对不同频段的电磁波的隐身。
根据本发明第一方面的一些实施例，温度控制系统2包括加热/冷却板，加热/冷却板设置在隐身器件主体1的一端端部处；或者，温度控制系统2为基于热对流或热辐射的温度调控装置。可以理解的是，加热板用来升高隐身器件主体1的温度，冷却板用来降低隐身器件主体1的温度，这样，通过温度控制系统2可以方便的控制隐身器件主体1的温度，以满足隐身器件1000工作频率的调谐的要求。
需要说明的是，温度控制系统2可以根据实际情况进行选择，温度控制系统2的安装位置及安装数量可以根据实际需要进行选择。
本发明第二方面还提出了一种温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000的制作方法。
根据本发明第二方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000的制作方法，温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000为本发明第一方面任意一个实施例中的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000，制作方法包括如下步骤：
采用机加工的方式加工出所需几何尺寸的第一电介质板113和第二电介质板114；
在第一电介质板113两侧面上加工出金属十字阵列12；
将附着有金属十字阵列12的第一电介质板113和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构11，得到隐身器件主体1；
将隐身器件主体1置于温度控制系统2中。
根据本发明第二方面实施例的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000的制作方法，选用高介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第一电介质板113，选用低介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第二电介质板114；通过印刷电路板、微加工或3D打印等方式在第一电介质板113的两侧加工出所需金属十字阵列12，将附着有金属十字阵列12的第一电介质板113和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构11，得到隐身器件主体1，将隐身器件主体1置于温度控制系统2中，将需要隐身的物体置于隐身器件主体1内的圆柱状空间111中。由此，温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件1000制作简单，装配方便，通过温度控制系统2控制隐身器件主体1温度，以改变第一电介质板113本身的介电常数，从而改变十字金属的谐振特性，使得金属十字121的等效磁导率色散曲线发生移动，这样，可以使隐身器件1000的频率特性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐，从而实现对不同频段的电磁波的隐身。
如图10所示，图中实线为障碍物位于隐身器件主体1的圆柱状空间111中时的散射截面随频率的变化曲线，虚线为只有障碍物而无隐身器件1000时的散射截面随频率的变化曲线。在工作频率处隐身器件1000的散射截面达到最低点并且小于障碍物的散射截面，表明隐身器件1000对位于圆柱状空间111中的障碍物能实现有效隐身。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，包括：
隐身器件主体，所述隐身器件主体包括第一电介质板、第二电介质板和环形金属十字阵列；其中，所述第一电介质板的介电常数高于所述第二电介质板的介电常数，所述第一电介质板和所述第二电介质板均为圆环柱状，所述第一电介质板和所述第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，所述层状堆叠结构为具有圆柱状空间的圆环柱状体；所述第一电介质板的两侧面上分别附着N层所述环形金属十字阵列，所述N为大于1的整数，每层所述环形金属十字阵列包括多个长方体晶格单元，其中，每个所述晶格单元内包含有两个对称分布于所述第一电介质板两侧面的金属十字，每层所述环形金属十字阵列的所述晶格单元和单元内的所述金属十字的几何尺寸相同，不同层所述环形金属十字阵列的所述晶格单元和单元内的所述金属十字的几何尺寸不同；
温度控制系统，所述温度控制系统用于控制所述隐身器件主体所处的环境温度，以改变所述第一电介质板本身的介电常数，使所述隐身器件主体的频率特性曲线发生移动，实现对所述隐身器件工作频率的调谐。
2.根据权利要求1所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述第一电介质板的介电常数随温度的变化而变化，并且所述第一电介质板的介电常数的数值大于50。
3.根据权利要求2所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述第二电介质板的介电常数范围为0.8～2.0。
4.根据权利要求1所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述隐身器件主体以zrθ柱坐标系为参考时，其中，z轴为所述隐身器件主体的轴向方向，r轴为所述隐身器件主体的径向方向，θ轴为所述隐身器件主体的切向方向，所述金属十字阵列中的所述金属十字的两条金属臂分别平行于r轴方向和θ轴方向。
5.根据权利要求4所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，
所述隐身器件在电场始终在Z轴方向偏振的情况下需要各向异性及梯度分布的电磁参数为按照如下公式得到：
其中，μr为径向的磁导率；
μθ为切向的磁导率；
εz为轴向的介电常数；
ra为所述隐身器件主体的内部边界的半径；
rb为所述隐身器件主体的外部边界的半径；
r为所述隐身器件主体的中第1至第N层中任意一层所述金属十字环形阵列的圆环半径。
6.根据权利要求4所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述金属十字阵列中的单个所述金属十字沿r轴和θ轴方向的两条金属臂长度不同。
7.根据权利要求4所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述晶格单元的几何尺寸小于工作频率下电磁波波长的1/5。
8.根据权利要求1所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述隐身器件的工作频率随所述环境温度变化而改变。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，其特征在于，所述温度控制系统包括加热/冷却板，所述加热/冷却板设置在所述隐身器件主体的一端端部处；或者，所述温度控制系统为基于热对流或热辐射的温度调控装置。
10.一种温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件的制作方法，其特征在于，所述温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件为根据权利要求1-9中任意一项所述的温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件，所述制作方法包括如下步骤：
采用机加工的方式加工出所需几何尺寸的所述第一电介质板和所述第二电介质板；
在所述第一电介质板两侧面上加工出所述金属十字阵列；
将附着有所述金属十字阵列的所述第一电介质板和所述第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，得到所述隐身器件主体；
将所述隐身器件主体置于所述温度控制系统中。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010668433.XA CN112003024B (zh) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010668433.XA CN112003024B (zh) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112003024A CN112003024A (zh) | 2020-11-27 |
| CN112003024B true CN112003024B (zh) | 2022-02-18 |
Family
ID=73467951
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010668433.XA Active CN112003024B (zh) | 2020-07-13 | 2020-07-13 | 温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112003024B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113076668B (zh) * | 2021-03-23 | 2023-06-30 | 四川大学 | 一种降空间尺度差实现电磁场加速计算的方法 |
| CN113363718B (zh) * | 2021-06-04 | 2022-07-15 | 哈尔滨工业大学 | 一种具有隐身功能的增强型电小天线 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080017745A (ko) * | 2006-08-22 | 2008-02-27 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 반도체 소자의 층간 절연막 형성 방법 |
| CN104226578A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-12-24 | 黑龙江兰德超声科技股份有限公司 | 全自动大功率超声波换能装置 |
| CN106684570A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-05-17 | 清华大学 | 可调谐全介质单向电磁波隐身器件 |
| CN208674379U (zh) * | 2018-09-07 | 2019-03-29 | 南京邮电大学 | 一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器 |
| CN110416735A (zh) * | 2018-07-16 | 2019-11-05 | 西安电子科技大学 | 具有传输零点的柔性多层频率选择表面 |
| CN110854546A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-02-28 | 安阳师范学院 | 一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN209056607U (zh) * | 2018-08-08 | 2019-07-02 | 南京邮电大学 | 一种基于二氧化钒相变调控的电磁超材料吸波器 |
| CN210535829U (zh) * | 2019-05-08 | 2020-05-15 | 南京邮电大学 | 一种基于多层结构的环形超材料吸波器 |
-
2020
- 2020-07-13 CN CN202010668433.XA patent/CN112003024B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080017745A (ko) * | 2006-08-22 | 2008-02-27 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 반도체 소자의 층간 절연막 형성 방법 |
| CN104226578A (zh) * | 2014-07-17 | 2014-12-24 | 黑龙江兰德超声科技股份有限公司 | 全自动大功率超声波换能装置 |
| CN106684570A (zh) * | 2016-12-20 | 2017-05-17 | 清华大学 | 可调谐全介质单向电磁波隐身器件 |
| CN110416735A (zh) * | 2018-07-16 | 2019-11-05 | 西安电子科技大学 | 具有传输零点的柔性多层频率选择表面 |
| CN208674379U (zh) * | 2018-09-07 | 2019-03-29 | 南京邮电大学 | 一种基于电磁超材料的宽频带太赫兹吸波器 |
| CN110854546A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-02-28 | 安阳师范学院 | 一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| An all-dielectric route for terahertz cloaking;Gaillot等;《OPTICS EXPRESS》;20080317;第3986-3992页 * |
| 红外隐身超材料;刘晓明等;《材料工程》;20200630;第1-11页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112003024A (zh) | 2020-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102027714B1 (ko) | 다중 빔 안테나 어레이 어셈블리를 위한 메타물질 기반 트랜스밋어레이 | |
| CN112003024B (zh) | 温度调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 | |
| US7256753B2 (en) | Synthesis of metamaterial ferrites for RF applications using electromagnetic bandgap structures | |
| CN111830737B (zh) | 一种可用温度调控工作频段的二维龙伯透镜 | |
| Kwon et al. | Perfect reflection control for impenetrable surfaces using surface waves of orthogonal polarization | |
| US8471776B2 (en) | Slotted antenna including an artificial dielectric substrate with embedded periodic conducting rings, for achieving an ideally-uniform, hemispherical radiation/reception when used as a single antenna element, or for azimuth(φ)-independent impedance-matched electronic beam scanning when used as a large antenna array | |
| KR101285388B1 (ko) | 빔 조향 장치 | |
| CN106684570B (zh) | 可调谐全介质单向电磁波隐身器件 | |
| CN110581365B (zh) | 一种错位型立体式超材料透明吸波体 | |
| US11095039B2 (en) | Communication apparatus | |
| WO2011118710A1 (ja) | 不可視包囲体 | |
| JP2021525463A (ja) | 位相制御装置、アンテナシステム及び位相制御方法 | |
| WO2019130382A1 (en) | Phase control device, antenna system, and method of controlling phase of electromagnetic wave | |
| Das et al. | Beam‐steering of microstrip antenna using single‐layer FSS based phase‐shifting surface | |
| CN107394412B (zh) | 一种五频段复用的人工磁导体反射板 | |
| CN111799562A (zh) | 可调谐全介质梯度磁导率二维全向隐身器件及制作方法 | |
| CN111969326B (zh) | 电场调控二维全向金属-介质复合隐身器件及制作方法 | |
| CN111799563B (zh) | 温度调控单向金属-介质复合隐身器件及制作方法 | |
| CN107039781A (zh) | 一种基于平面结构的新型模式转换天线 | |
| CN214505776U (zh) | 一种传输阵列天线单元和传输阵列天线 | |
| CN111710983B (zh) | 电场调控单向金属-介质复合隐身器件及制作方法 | |
| CN116508209A (zh) | 波控制介质、波控制元件、波控制构件、波控制装置和波控制介质的制造方法 | |
| CN111752014B (zh) | 一种可用电压调控工作频段的二维龙伯透镜 | |
| CN114597669B (zh) | 一种蜂窝状超宽带高增益六边形阵列介质透镜 | |
| CN113300115B (zh) | 电磁超材料透镜单元及超材料透镜天线 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |