CN113258300B - 一种全角度电磁波隐形结构 - Google Patents
一种全角度电磁波隐形结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113258300B CN113258300B CN202110423044.5A CN202110423044A CN113258300B CN 113258300 B CN113258300 B CN 113258300B CN 202110423044 A CN202110423044 A CN 202110423044A CN 113258300 B CN113258300 B CN 113258300B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- inner shell
- shell
- area
- invisible
- electromagnetic wave
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 abstract description 17
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011365 complex material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000011426 transformation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems
Abstract
本发明是一种全角度电磁波隐形结构，涉及到目标散射截面减少、雷达隐身等领域。解决了现有电磁隐形结构材料参数复杂、入射探测波宽度受限以及工作角度受限的问题，一种全角度电磁波隐形结构，为三维柱状结构，包括形状相似的内壳和外壳，内壳和外壳之间的区域设置多层金属板组成的阵列结构，金属板两端分别与内壳和外壳连接，金属板之间的间距小于亚波长，内壳围成的中心区域和金属板围成的沟道内分别填充有介质材料，内壳层和外壳层之间的由金属板围成的区域为电磁场隐形区域，电磁场隐形区域用于放置待隐藏的物体。本发明对任意角度入射的探测波均可有效工作，对外界探测波均不产生散射和吸收。
Description
技术领域
本发明是一种全角度电磁波隐形结构，涉及到目标散射截面减少、雷达隐身等领域。
背景技术
电磁隐形结构可以很大程度地降低目标物体的散射截面和吸收截面，其同样可以用于雷达隐身（仅需降低散射截面，无需考虑吸收截面的变化）。目前用于飞机的雷达隐形技术，主要是利用吸波材料，通过提高吸收截面来降低散射截面（并不能同时降低散射截面和吸收截面）。在2006年，变换光学理论提出一种可以利用坐标变换的方法来设计一种壳状的电磁隐形结构：当电磁波入射到壳状的电磁隐形结构时，会被平滑地引导绕过被隐藏物体所在区间，然后又被引导回其原先的路径继续传播。由于电磁波被引导绕过了被隐藏物体所在区域，因此电磁波没有和被隐藏物体接触，所以不产生任何散射和吸收，进而同时消除了被隐藏物体的散射截面和吸收截面。然而，借助于变换光学的电磁隐形结构参数非常复杂，涉及到各向异性的非均匀阻抗匹配介质，使得完美的电磁隐形结构很难实现。近几年，人们提出通过牺牲电磁隐形结构的有效工作方向来简化材料参数，并获得了很好的实验上效果。然而，目前仍然没有一种可以全角度探测有效的、结构简单容易实现的电磁隐形结构。
发明内容
本发明为了解决现有电磁隐形结构材料参数复杂、入射探测波宽度受限以及工作角度受限的问题，提供一种全角度电磁波隐形结构。
本发明采取以下技术方案：一种全角度电磁波隐形结构，为三维柱状结构，包括形状相似的内壳和外壳，内壳和外壳之间的区域设置多层金属板组成的阵列结构，金属板两端分别与内壳和外壳连接，金属板之间的间距小于亚波长，内壳围成的中心区域和金属板围成的沟道内分别填充有介质材料，内壳层和外壳层之间的由金属板围成的区域为电磁场隐形区域，电磁场隐形区域用于放置待隐藏的物体。
进一步的，中心区域填充的介质材料的折射率的平方等于结构二维截面的外壳围成面积与内壳围成的面积之比。
进一步的，沟道内的介质材料折射率满足折射率与沟道长度相乘为探测波波长一半的整数倍。
进一步的，磁场隐形区域为位于内外壳之间的环形区域，磁场隐形区域的形状、数目以及位置均可任意改变。
进一步的，内壳和外壳为形状相似的结构，且形状任意。
这种全角度电磁波隐形结构的一般设计方法为：首先确定内壳与外壳的形状（两者需共形，即形状为相似形）；在内壳与外壳之间的环形区域选择电磁场隐形区域（占用面积不能超过内壳与外壳之间的环形区域）；在内外壳形状和电磁场隐形区域确定后，对除去电磁场隐形区域外的内外壳之间的环形区域填充间距为亚波长（间距小于工作波长的四分之一）的金属板阵列，金属板阵列将内壳边界与外壳边界上的点逐个连接；在金属板围成的沟道填充特定折射率的介质材料，折射率与金属沟道长度相乘为工作波长一半的整数倍；在内壳层围成的中心区域填充介质材料，材料折射率的平方等于结构二维截面的外壳层围成面积与内壳层围成的面积之比。
使用时，观察者位于器件外部的一定距离处。探测波从任意角度入射，整个隐形结构以及隐形区域内放置的任意物体均对外界探测波不产生任何散射，进而对器件外的观察者实现隐形。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）容易实现：仅需金属板和自然界中的介质材料组合。
（2）对任意角度入射的探测波均可有效工作。探测波从任意角度入射本发明的全角度电磁波隐形结构时，该结构（包括位于电磁场隐形区域内的被隐藏物体）对外界探测波均不产生散射和吸收。
附图说明
图1为是实施例一全角度电磁波隐形结构的结构示意图；
图2为是实施例一全角度电磁波隐形结构中折射率分布灰度图；
图3为是实施例一设计的全角度电磁波隐形结构的数值模拟结果；
图4为是实施例二全角度电磁波隐形结构的内外壳形状变形图；
图5为是实施例三全角度电磁波隐形结构的电磁场隐形区域变形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种全角度电磁波隐形结构，为三维柱状结构，包括形状相似的内壳和外壳，内壳和外壳之间的区域设置多层金属板组成的阵列结构，金属板两端分别与内壳和外壳连接，金属板之间的间距小于亚波长，内壳围成的中心区域和金属板围成的沟道内分别填充有介质材料，内壳层和外壳层之间的由金属板围成的区域为磁场隐形区域，电磁场隐形区域用于放置待隐藏的物体。
本发明提出的全角度电磁波隐形结构设计方法步骤为：首先确定内壳与外壳的形状（两者需共形）；在内壳与外壳之间的环形区域选择电磁场隐形区域，电磁场隐形区域的个数，形状，位置均可变化，但电磁场隐形区域占用的面积不能超过内壳与外壳之间的环形区域；在内外壳形状和电磁场隐形区域确定后，对除去电磁场隐形区域外的内外壳之间的环形区域填充间距为亚波长（间距小于工作波长的四分之一）的金属板阵列，金属板阵列将内壳边界与外壳边界上的点逐个连接；在金属板围成的沟道填充特定折射率的介质材料，折射率与金属沟道长度相乘为工作波长一半的整数倍；在内壳层围成的中心区域填充介质材料，材料折射率的平方等于结构二维截面的外壳层围成面积与内壳层围成的面积之比。
实施例一：
此实例中（如图1所示的二维截面图），区域1-1为空气。外壳正方形边长为4λ，内壳正方形边长为2λ，λ为工作波长（设计中选择为1厘米）。间隔为λ/20的金属板将内壳与外壳相连，金属板围成的沟道1-2中填充了特殊折射率的介质材料，介质材料的折射率此例中设计为探测波半波长除以金属沟道的长度。内壳围成的中心区域1-3折射率的平方为外壳正方形面积和内壳正方形面积比，此实例的中心区域1-3的折射率为2。图2给出了此例中整个隐形结构不同区域的折射率分布，灰度深浅代表折射率值的大小（值的范围为1.34到2.12）。图3是此例设计的全角度电磁波隐形结构的数值模拟结果（以灰度图方式画出了电场的分布）。模拟中，探测波为一个位于电磁波隐形结构下方的单位幅度磁流产生TM偏振的柱面波。模拟结果表明，本发明设计的电磁隐形结构以及四个边角的电磁场隐形区域1-1中放置的任意物体（模拟中被隐藏物体选择为对电磁波产生强散射的完美电导体）都不会对线磁流产生的柱面探测波产生任何相位畸变。
除图1给出的实施例以外，本发明提出的全角度电磁波隐形结构设计方法还可以设计其他形状的全角度电磁波隐形结构。图4图5是根据本发明提出的全角度电磁波隐形结构设计方法得到的另外两个设计实例。
实施例二：
图4为内、外壳为圆形的电磁波隐形结构，区域4-4为空气（外界探测器和观察者所在区域），其余区域对应发明的隐形结构。内壳围成的中心区域4-3为圆形，中心区域4-3填充介质折射率的平方等于外圆面积和内圆面积之比。此时电磁场隐形区域4-1为四个四边形，内壳和外壳之间仍由金属板（黑色粗线）连接，并且在金属板围成沟道4-2中填充的介质材料折射率等于三倍的工作半波长除以金属沟道长度，图4中用灰度图的方式给出了不同区域的折射率分布情况。
实施例三：
图5外壳为正方形的电磁波隐形结构，区域5-4为空气（外界探测器和观察者所在区域），其余区域为对应发明的隐形结构。内壳围成的中心区域5-3为正方形，中心区域填充介质折射率的平方等于外正方形面积和内正方形面积之比。此时电磁场隐形区域5-1为四个闭合曲线图形，内壳和外壳之间仍由金属板（黑色粗线）连接，并且在金属板围成沟道5-2中填充的介质材料折射率等于三倍的工作半波长除以金属沟道长度，图5中用灰度图方式给出了不同区域的折射率分布情况。
Claims (3)
1.一种全角度电磁波隐形结构，其特征在于：为三维柱状结构，包括形状相似的内壳和外壳，内壳和外壳之间的区域设置多层金属板组成的阵列结构，金属板两端分别与内壳和外壳连接，金属板之间的间距小于亚波长，内壳围成的中心区域和金属板围成的沟道内分别填充有介质材料，内壳层和外壳层之间的由金属板围成的区域为磁场隐形区域；所述的中心区域填充的介质材料的折射率的平方等于结构二维截面的外壳围成面积与内壳围成的面积之比；所述的沟道内的介质材料折射率满足折射率与沟道长度相乘为探测波波长一半的整数倍。
2.根据权利要求1所述的全角度电磁波隐形结构，其特征在于：所述的磁场隐形区域为位于内外壳之间的环形区域，磁场隐形区域的形状、数目以及位置均可任意改变。
3.根据权利要求1或2所述的全角度电磁波隐形结构，其特征在于：所述的内壳和外壳为形状相似的结构，且形状任意。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110423044.5A CN113258300B (zh) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 一种全角度电磁波隐形结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110423044.5A CN113258300B (zh) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 一种全角度电磁波隐形结构 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113258300A CN113258300A (zh) | 2021-08-13 |
| CN113258300B true CN113258300B (zh) | 2022-06-10 |
Family
ID=77221344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110423044.5A Expired - Fee Related CN113258300B (zh) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | 一种全角度电磁波隐形结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113258300B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113839214B (zh) * | 2021-09-17 | 2022-11-22 | 电子科技大学 | 针对柱面电磁波的无源亚波长吸收体 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105762531A (zh) * | 2016-02-18 | 2016-07-13 | 北京交通大学 | 一种网状分层结构式电磁波吸收超材料 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8064142B2 (en) * | 2005-05-14 | 2011-11-22 | Holochip Corporation | Fluidic lens with reduced optical aberration |
| US9677856B2 (en) * | 2006-07-25 | 2017-06-13 | Imperial Innovations Limited | Electromagnetic cloaking method |
| US20080165442A1 (en) * | 2006-11-08 | 2008-07-10 | Wenshan Cai | System, method and apparatus for cloaking |
| JP5224529B2 (ja) * | 2009-01-07 | 2013-07-03 | 国立大学法人山口大学 | 不可視包囲体 |
| US9095043B2 (en) * | 2013-02-27 | 2015-07-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Electromagnetic cloak using metal lens |
| CN109324361B (zh) * | 2018-12-14 | 2020-11-10 | 深圳大学 | 一种超宽波段近完美吸收器及其制造方法 |
-
2021
- 2021-04-20 CN CN202110423044.5A patent/CN113258300B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105762531A (zh) * | 2016-02-18 | 2016-07-13 | 北京交通大学 | 一种网状分层结构式电磁波吸收超材料 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113258300A (zh) | 2021-08-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Quevedo-Teruel et al. | On the benefits of glide symmetries for microwave devices | |
| CN108957429B (zh) | 一种基于超宽带雷达散射截面减缩棋盘结构及超宽带雷达 | |
| JP5510946B2 (ja) | 電磁気クローキング方法 | |
| CN202231160U (zh) | 基于超材料的天线 | |
| US20190170484A1 (en) | Metasurface device for cloaking and related applications | |
| Yi et al. | 3D printed broadband transformation optics based all-dielectric microwave lenses | |
| CN113258300B (zh) | 一种全角度电磁波隐形结构 | |
| Jandieri et al. | 1-D periodic lattice sums for complex and leaky waves in 2-D structures using higher order Ewald formulation | |
| CN102480034B (zh) | 一种后馈式微波天线 | |
| Baccarelli et al. | Full-wave analysis of bound and leaky modes propagating along 2D periodic printed structures with arbitrary metallisation in the unit cell | |
| Chen et al. | Experimental demonstration of invisible electromagnetic impedance matching cylindrical transformation optics cloak shell | |
| Raeker et al. | Arbitrary transformation of antenna radiation using a cylindrical impedance metasurface | |
| Tong et al. | Anisotropic index-near-zero metamaterials for enhanced directional acoustic emission | |
| CN202231156U (zh) | 一种后馈式微波天线 | |
| Wang et al. | Multi-octave radar cross section reduction via integrated dispersion engineering of polarization-conversion metasurface and metamaterial absorber | |
| Ji et al. | Research on monostatic and bistatic RCS of cloaking based on coordinate transformation | |
| Kamal et al. | Applications of metamaterials and metasurfaces | |
| Kakulia et al. | The method of auxiliary sources approach to modeling of electromagnetic field scattering on two-dimensional periodic structures | |
| CN210742622U (zh) | 基于相位渐变超构光栅的光学笼子 | |
| Zhang | An improved zoning rule of the Fresnel zone plate | |
| CN109067010A (zh) | 一种双频近零磁导率的屏蔽电磁超材料及其应用 | |
| Ozgun et al. | Monte Carlo simulations of Helmholtz scattering from randomly positioned array of scatterers by utilizing coordinate transformations in finite element method | |
| CN102769207B (zh) | 一种超材料隐身装置 | |
| CN202231155U (zh) | 一种后馈式微波天线 | |
| CN113721210B (zh) | 基于吸波-对消的深度rcs减缩超表面设计方法及超表面 |
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 | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220610 |