DE102010018645A1

DE102010018645A1 - metamaterial

Info

Publication number: DE102010018645A1
Application number: DE201010018645
Authority: DE
Inventors: Eric Ten Have; Dr. Gowin Michael
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-03
Also published as: WO2011134597A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metamaterial (2), welches aus einer Vielzahl strukturgleicher Wirkteilchen (3–3''') zusammengesetzt ist, wobei das jeweilige Wirkteilchen (3–3''') ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial (4) und eine auf dem Trägermaterial (4) angeordnete metallische Struktur (5) umfasst. Um zu erreichen, dass die Wirkteilchen (3–3''') des Metamaterials (2) als Nebel zum Verdecken eines Objektes (1) für elektromagnetische Strahlung eines festgelegten Frequenzbandes geeignet sind, schlägt die Erfindung vor, mindestens einen Teil der Wirkteilchen (3–3''') des erfindungsgemäßen Metamaterials (2) mit Stabilisierungseinrichtungen (9) zu versehen, wobei die jeweilige Stabilisierungseinrichtung (9) des entsprechenden Wirkteilchens (3–3''') dieses – nach Ausbringen des Metamaterials in die Atmosphäre – bei seinem Sinkflug zur Erde derart ausrichtet, dass seine Flächennormale (8) und damit seine metallische Struktur (5) im Wesentlichen senkrecht zur Sinkflugrichtung (10) angeordnet ist.The invention relates to a metamaterial (2) which is composed of a large number of structurally identical active particles (3–3 ""), the respective active particle (3–3 "") being an electrically non-conductive carrier material (4) and one on the Metallic structure (5) arranged on the carrier material (4). In order to ensure that the active particles (3–3 '' ') of the metamaterial (2) are suitable as a fog for covering an object (1) for electromagnetic radiation of a defined frequency band, the invention proposes that at least some of the active particles (3 -3 "") of the metamaterial (2) according to the invention to be provided with stabilization devices (9), the respective stabilization device (9) of the corresponding active particle (3-3 "") this - after the metamaterial has been released into the atmosphere - at its Aligns the descent to earth in such a way that its surface normal (8) and thus its metallic structure (5) are arranged essentially perpendicular to the direction of descent (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Metamaterial für einen Metadüppel, Metachaff oder Metanebel, welches aus einer Vielzahl strukturgleicher Wirkteilchen zusammengesetzt ist, wobei das jeweilige Wirkteilchen ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial und eine auf dem Trägermaterial angeordnete metallische Struktur umfasst.The invention relates to a metamaterial for a Metadüppel, Metachaff or Metanebel, which is composed of a plurality of structurally identical active particles, wherein the respective active particles comprises an electrically non-conductive support material and arranged on the support material metallic structure.

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien mit nicht in der Natur vorkommenden elektromagnetischen Eigenschaften, welche in bestimmten Frequenzbereichen sowohl Dielektrizitätskoeffizienten als auch Permeabilitätskoeffizienten aufweisen, die kleiner eins oder auch negativ sind. Diese Eigenschaften werden durch eine gezielte Anordnung mikro- oder nanometergroßer Leiterbahnelemente mit bestimmten elektrischen und magnetischen Eigenschaften möglich. So kann beispielsweise eine negative Brechzahl erzeugt werden, was zu interessanten Effekten führt, wie superlensing, hyperlensing und cloaking (das unsichtbar Machen-Tarnen) von Gegenständen durch eine Umleitung der elektromagnetischen Wellen um den Gegenstand herum. Diesen Effekt ausnutzend ist daher bereits vorgeschlagen worden, mit Hilfe einer Metamaterialumhüllung Objekte zu tarnen. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung eines vorgegebenen Frequenzbereiches (beispielsweise die Radar- oder IR-Strahlung einer feindlichen Aufklärung), mittels welcher das Objekt geortet werden soll, durch das Metamaterial um das Objekt herum geleitet, derart, dass sich hinter dem Objekt die gleiche Wellenfront ergibt wie vor dem Objekt und die empfangene Strahlung keinen Hinweis auf die Anwesenheit eines Objektes enthält.Metamaterials are artificially produced materials with non-naturally occurring electromagnetic properties, which in certain frequency ranges have both dielectric coefficients and permeability coefficients which are less than one or even negative. These properties are made possible by a targeted arrangement of micro- or nanometer-sized conductor track elements with specific electrical and magnetic properties. For example, a negative refractive index can be generated, resulting in interesting effects such as superlensing, hyperlensing, and cloaking (invisibly tarning) objects by redirecting the electromagnetic waves around the object. Using this effect, it has therefore already been proposed to camouflage objects with the aid of a metamaterial envelope. In this case, the electromagnetic radiation of a predetermined frequency range (for example, the radar or IR radiation of a hostile reconnaissance), by means of which the object is to be located, directed by the metamaterial around the object, such that the same wavefront results behind the object as before the object and the received radiation contains no indication of the presence of an object.

Abgesehen davon, dass die Abmessungen der metallischen Strukturen der Wirkteilchen abhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung sind, durch welche die Ortung eines Objektes verhindert werden soll, sollten die das Objekt umhüllenden Wirkteilchen metallische Strukturen aufweisen, die ein regelmäßiges Gitter bilden und senkrecht auf dem Richtungsvektor zum zu schützenden Objekt stehen ( Pendry, J. B. et al., Controlling electromagnetic fields, Science 312, 1780–1782 (2006) ).Apart from the fact that the dimensions of the metallic structures of the active particles are dependent on the frequency of electromagnetic radiation, by which the location of an object is to be prevented, the active particles enveloping the object should have metallic structures which form a regular grid and perpendicular to the directional vector to the object to be protected ( Pendry, JB et al., Controlling electromagnetic fields, Science 312, 1780-1782 (2006) ).

Aus der DE 20 2008 006 222 U1 ist ein Metamaterial mit im 3D Raum angeordneten Leiterbahnelementen bekannt. Die WO 2006/023195 A2 offenbart ein weiteres Metamaterial. Aus der US 6,859,114 B2 ist ein Metamaterial zur Kontrolle und Führung elektromagnetischer Strahlungen bekannt. Ein verbessertes Substrat mit Metamaterial kann zudem der WO 2007/069224 A2 entnommen werden.From the DE 20 2008 006 222 U1 is a metamaterial with arranged in 3D space trace elements known. The WO 2006/023195 A2 discloses another metamaterial. From the US Pat. No. 6,859,114 B2 is a metamaterial known to control and guide electromagnetic radiation. An improved substrate with metamaterial can also the WO 2007/069224 A2 be removed.

Um ein Objekt für elektromagnetische Strahlung eines entsprechenden Frequenzbandes unsichtbar zu machen, gilt das Ausbringen von bekanntem Metamaterial, bei dem die Wirkteilchen in Form eines Nebels (etwa durch Verschießen einer Granate oder mittels eines Nebelgenerators) ausgebracht werden, als nicht geeignet, weil die Wirkteilchen und damit auch ihre metallischen Strukturen mehr oder weniger willkürlich in Bezug auf das Objekt angeordnet sind.In order to make an object for electromagnetic radiation of a corresponding frequency band invisible, applies the application of known metamaterial in which the active particles in the form of a mist (such as by firing a grenade or by means of a fog generator) are applied, not suitable because the active particles and so that their metallic structures are arranged more or less arbitrarily with respect to the object.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Metamaterial zu offenbaren, deren Wirkteilchen auch als Nebel zum Verdecken eines Objektes für elektromagnetische Strahlung eines festgelegten Frequenzbandes geeignet sind. Vorzugsweise soll das Metamaterial als Nebel durch Verschuss von Nebelgranaten oder durch Nebelgenerator(en) ausbringbar sein.The invention has for its object to disclose a metamaterial whose active particles are also suitable as fog for covering an object for electromagnetic radiation of a fixed frequency band. Preferably, the metamaterial should be able to be applied as a mist by firing fog grenades or by mist generator (s).

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.This object is achieved by the features of claim 1. Further, particularly advantageous embodiments of the invention disclose the dependent claims.

Der für das Tarnen verwendete Metadüppel bzw. das Metamaterial besteht aus einer sehr dünnen Folie, auf die eine dünne metallische Struktur aufgebracht ist. Die Dicke von Folie und metallische Struktur sind in der Größenordnung von einigen μm – ca. 10–20 μm. Das Aufbringen der Metallschicht (z. B. Kupfer) kann durch ein Mikro- oder Nanolithografieverfahren, über chemische oder andere geeignete Verfahren erfolgen. Das Auftrageverfahren kann dabei großflächig über eine zusammenhängende Fläche der Folie erfolgen, die später in die einzelnen Wirkteilchen zerteilt wird oder direkt auf einzelne Wirkteilchen. Die metallische Struktur selbst kann des Weiteren einseitig oder zweiseitig aufgebracht sein. Die Form und Abmessung der verwendeten metallischen Strukturen sind dabei von der Frequenz der zu störenden Strahlung und der Größe des zu schützenden Objektes abhängig. Die Strukturen können die bekannte Form von unterbrochenen Ringresonatoren haben.The metal toad or metamaterial used for camouflage consists of a very thin foil on which a thin metallic structure is applied. The thickness of foil and metallic structure are on the order of a few microns - about 10-20 microns. The application of the metal layer (eg, copper) may be by a micro or nanolithography process, by chemical or other suitable means. The application process can take place over a large area over a contiguous area of the film, which is later divided into the individual active particles or directly to individual active particles. The metallic structure itself can furthermore be applied on one side or on two sides. The shape and dimension of the metallic structures used are dependent on the frequency of the radiation to be disturbed and the size of the object to be protected. The structures may have the known form of broken ring resonators.

Um eine gewollte Orientierung bei einem Verschuss von derartigen Düppeln (Nebel) sicherzustellen, beruht die Erfindung im Wesentlichen auf dem Gedanken, dass mindestens ein Teil dieser Wirkteilchen des erfindungsgemäßen Metamaterials mit Stabilisierungseinrichtungen versehen sind, wobei die jeweilige Stabilisierungseinrichtung des entsprechenden Wirkteilchens dieses – nach Ausbringen des Metamaterials in die Atmosphäre – bei seinem Sinkflug zur Erde derart ausrichtet, dass die Flächennormale des Wirkteilchens, und damit auch seine dem Objekt zugewandte metallische Struktur, im Wesentlichen senkrecht zur Sinkflugrichtung und damit während des Sinkfluges auch zeitweise etwa senkrecht zum Richtungsvektor des zu schützenden Objektes angeordnet ist. Dadurch wird kann eine gute Wirkung sichergestellt werden.In order to ensure a desired orientation in the case of a shoot of such chaff (fog), the invention is essentially based on the idea that at least a portion of these active particles of the metamaterial according to the invention are provided with stabilizing means, wherein the respective stabilizing means of the corresponding active particle - after applying the Metamaterials into the atmosphere - aligned in his descent to the earth so that the surface normal of the active particle, and thus its object facing metallic structure, substantially perpendicular to the descent direction and thus during descent also at times approximately perpendicular to the direction vector of the object to be protected is arranged. This will ensure a good effect.

Eine derartige Ausrichtung der Wirkteilchen kann dadurch erreicht werden, dass die Stabilisierungseinrichtungen sich aus einem, in Sinkflugrichtung des jeweiligen Wirkteilchens gesehen, unterseitigen Ballastteil und aus mindestens einem oberseitig angeordneten streifenförmigen Stabilisierungselement (auch als Ligament bezeichnet) zusammensetzen, zwei oder mehrere sind auch möglich.Such an orientation of the active particles can be achieved in that the stabilizing devices are composed of a lower part of the ballast seen in the direction of descent of the respective active particle and of at least one strip-shaped stabilizing element (also referred to as a ligament), two or more are also possible.

Statt der streifenförmigen Stabilisierungselemente können aber auch fallschirmartige Stabilisierungselemente verwendet werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, zusätzlich zu dem fallschirmartigen Stabilisierungselement mindestens ein weiteres Element zur Erzeugung einer kontrollierten Rotationsbewegung des entsprechenden Wirkteilchens vorzusehen.Instead of the strip-shaped stabilizing elements but also parachute-type stabilizing elements can be used. It may be expedient, in addition to the parachute-type stabilizing element to provide at least one further element for generating a controlled rotational movement of the corresponding active particle.

Eine Ausweitung dieses Schutzprinzip für höhere Frequenzen bis hin zu sichtbarem Licht ist dadurch machbar, wenn die Abmessungen der metallischen Strukturen kleiner als μm (nm-Abmessungen) werden. Diese Wirkteilchen können dann zu bereits bekannten Nebelsorten (Rp-, NT-, KM-Nebel) hinzu gemischt und so später verbreitet werden.An extension of this protection principle for higher frequencies up to visible light is thereby feasible if the dimensions of the metallic structures become smaller than μm (nm dimensions). These active particles can then be mixed into already known types of fog (Rp, NT, KM nebula) and thus distributed later.

Durch die hier vorgeschlagenen Metadüppel (Metachaff als auch Metanebel) können diese mit einer Munition etc. verschossen und damit ein Objekt unsichtbar gemacht werden, als ob es gar nicht existieren würde. Durch das Ausbringen einer Düppelwolke mit speziell geformten bzw. strukturierten Mikroteilchen wird dazu eine Hülle um das Objekt gebildet, die elektromagnetische Strahlungen um das Objekt herum leiten. Es wird nicht nur die genaue Position des Objektes verschleiert, sondern die vielmehr die Anwesenheit des Objektes an sich. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für den kurzzeitigen Schutz nicht mobiler als auch sich langsam fortbewegender Objekte, die kurzfristig gegen radargelenkte Lenkflugkörper geschützt werden sollen.By the here proposed Metadüppel (Metachaff and Metanebel) they can be fired with an ammunition, etc., and thus an object can be made invisible, as if it did not exist. By applying a chaff cloud with specially shaped or structured microparticles, a shell is formed around the object, which guides electromagnetic radiation around the object. It is not only the exact position of the object that is obscured, but rather the presence of the object itself. This method is particularly suitable for the short-term protection of non-mobile as well as slowly moving objects that are to be protected in the short term against radar guided missiles.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following, with reference to figures explained embodiments. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Objektes, welches durch ein als Nebel ausgebrachtes erfindungsgemäßes Metamaterial für elektromagnetische Strahlung eines entsprechenden Frequenzbandes unsichtbar gemacht wird; 1 a schematic representation of an object, which is made invisible by a deployed as fog inventive metamaterial for electromagnetic radiation of a corresponding frequency band;

2 eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Objektes und einiger zu dem Objekt ausgerichteter Wirkteilchen zur Erläuterung der Erfindung; 2 a schematic representation of the in 1 shown object and some aligned to the object active particles to explain the invention;

3, 4 zwei Ausführungsbeispiele von Wirkteilchen mit als Stabilisierungselementen dienenden streifenförmigen Verlängerungen des Trägermaterials der Wirkteilchen; 3 . 4 two embodiments of active particles with serving as stabilizing elements strip-shaped extensions of the carrier material of the active particles;

5 das Ausführungsbeispiel eines Wirkteilchens mit einem fallschirmartigen Stabilisierungselement und 5 the embodiment of an active particle with a parachute-like stabilizing element and

6 ein 5 entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich zu dem fallschirmartigen Stabilisierungselement zwei Elemente zur kontrollierten Rotationsbewegung des Wirkteilchens vorgesehen sind. 6 one 5 corresponding embodiment in which in addition to the parachute-like stabilizing element two elements for controlled rotational movement of the active particle are provided.

In 1 ist mit 1 ein Objekt bezeichnet, welches durch ein als Nebel ausgebrachtes erfindungsgemäßes Metamaterial 2 für elektromagnetische Strahlung eines entsprechenden Frequenzbandes unsichtbar gemacht wurde. Dabei besteht das Metamaterial 2 aus einer Vielzahl strukturgleicher Wirkteilchen 3, die in Form eines Hohlzylinders um das zu schützende Objekt 1 verteilt angeordnet sind.In 1 is with 1 an object denoted by a metamaterial according to the invention applied as a mist 2 was made invisible to electromagnetic radiation of a corresponding frequency band. There is the metamaterial 2 from a multiplicity of structurally identical active particles 3 , in the form of a hollow cylinder around the object to be protected 1 are arranged distributed.

Jedes der Wirkteilchen 3 (vgl. auch die 3–6) umfasst ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial 4 (beispielsweise eine Polyesterfolie mit einer Wandstärke von 15 μm), auf der als metallische Struktur 5 ein Leiterbahnelement in Form eines unterbrochenen Ringresonators aufgedampft oder aufgedruckt ist.Each of the active particles 3 (See also the 3 - 6 ) comprises an electrically non-conductive substrate 4 (For example, a polyester film with a wall thickness of 15 microns), on the as a metallic structure 5 a printed conductor element is vapor-deposited or printed in the form of an interrupted ring resonator.

Wie in 1 schematisch dargestellt, bewirkt das Metamaterial 2, dass eine auf das Objekt 1 gerichtete Einfallswelle 6 um das Objekt 1 herum läuft und dann wieder als ebene Ausfallswelle 7 das Metamaterial 2 verlässt, sodass der Ausfallswelle 7 kein Hinweis auf das Vorliegen des Objektes 1 entnehmbar ist.As in 1 shown schematically, causes the metamaterial 2 that one on the object 1 directed incident wave 6 around the object 1 runs around and then again as a plane failure wave 7 the metamaterial 2 leaves, so the default wave 7 no indication of the presence of the object 1 is removable.

In 2 ist schematisch angedeutet, dass mindestens ein Teil der Wirkteilchen 3 des erfindungsgemäßen Metamaterials 2 derart ausgerichtet sind, dass ihre mit 8 bezeichneten Flächennormalen, und damit auch die dem Objekt zugewandten metallischen Strukturen 5, im Wesentlichen senkrecht zur Sinkflugrichtung 10 angeordnet sind. Bei der dargestellten Anordnung der Wirkteilchen 3, bei denen diese sich entlang eines Hohlzylinders erstrecken, entsprechen die Flächennormalen 8 dem Richtungsvektor des zu schützenden Objektes 1.In 2 is schematically indicated that at least a portion of the active particles 3 the metamaterial according to the invention 2 are aligned so that their with 8th designated surface normal, and thus also the object facing metallic structures 5 , substantially perpendicular to the descent direction 10 are arranged. In the illustrated arrangement of the active particles 3 in which they extend along a hollow cylinder, the surface normals correspond 8th the direction vector of the object to be protected 1 ,

Um eine derartige Ausrichtung der Wirkteilchen 3 sicherzustellen, weisen die Wirkteilchen 3 jeweils eine Stabilisierungseinrichtung 9 auf, die sie beim Herabsinken zur Erde in eine Vorzugsrichtung ausrichten.To such an orientation of the active particles 3 Ensure the active particles 3 in each case a stabilization device 9 on, they align with the sinking to the ground in a preferred direction.

In 3 ist ein entsprechendes Wirkteilchen 3 dargestellt, bei dem die Stabilisierungseinrichtung 9 im Wesentlichen aus einem, in Sinkflugrichtung 10 des Wirkteilchen 3 gesehen, unterseitigen. Ballastteil 11 und aus einem oberseitig angeordneten streifenförmigen Stabilisierungselement 12 besteht.In 3 is a corresponding active particle 3 illustrated in which the stabilizer 9 essentially one, in the direction of descent 10 of the active particle 3 seen, lower-sided. ballast member 11 and from a top side arranged strip-shaped stabilizing element 12 consists.

4 zeigt ein 3 entsprechendes Wirkteilchen 3', welches zwei parallel zueinander angeordnete streifenförmige Stabilisierungselemente 12 umfasst. 4 shows a 3 corresponding active particle 3 ' , Which two mutually parallel strip-shaped stabilizing elements 12 includes.

In 5 ist ein Wirkteilchen 3'' dargestellt, bei dem die Stabilisierungseinrichtung wiederum ein, in Sinkflugrichtung des Wirkteilchen 3'' gesehen, unterseitiges Ballastteil 11 umfasst, bei dem aber das oberseitig angeordnete Stabilisierungselement 13 fallschirmartig ausgebildet ist.In 5 is an active particle 3 '' represented, in which the stabilization device in turn, in the direction of descent of the active particle 3 '' seen, bottom ballast part 11 includes, but in which the upper side arranged stabilizing element 13 parachute-shaped.

Das in 6 mit 3''' bezeichnete Wirkteilchen entspricht im Wesentlichen dem in 5 dargestellten Wirkteilchen 3'', wobei zusätzliche Elemente 14 zur Erzeugung einer kontrollierten Rotationsbewegung des Wirkteilchens 3''' um seine in Sinkflugrichtung gerichtete Längsachse vorgesehen sind.This in 6 With 3 ''' designated active particles corresponds substantially to the in 5 represented active particles 3 '' , with additional elements 14 for generating a controlled rotational movement of the active particle 3 ''' are provided around its directed in the direction of descent longitudinal axis.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Objektobject
22: Metamaterialmetamaterial
3–3'''3-3 '' ': WirkteilchenWirkteilchen
44: Trägermaterialsupport material
55: metallische Strukturmetallic structure
66: Einfallswelleincident wave
77: Ausfallswellefailure wave
88th: Flächennormale, RichtungsvektorSurface normal, direction vector
99: Stabilisierungseinrichtungstabilizing device
1010: SinkflugrichtungSinkflugrichtung
1111: Ballastteilballast member
12, 1312, 13: Stabilisierungselementestabilizing elements
1414: Elementelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202008006222 U1 [0004]
WO 2006/023195 A2 [0004]
US 6859114 B2 [0004]
WO 2007/069224 A2 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Pendry, JB et al., Controlling electromagnetic fields, Science 312, 1780-1782 (2006) [0003]

Claims

Metamaterial, which consists of a multiplicity of structurally identical active particles ( 3 - 3 ''' ), wherein the respective active particle ( 3 - 3 ''' ) an electrically non-conductive carrier material ( 4 ) and one on the substrate ( 4 ) arranged metallic structure ( 5 ), characterized in that at least a part of the active particles ( 3 - 3 ''' ) of the metamaterial ( 2 ) Stabilizing devices ( 9 ) containing the corresponding active particles ( 3 - 3 ''' ) after application of the metamaterial ( 2 ) in the atmosphere as they descend to Earth in such a way that their surface normals ( 8th ) substantially perpendicular to its descent direction ( 10 ) are arranged.

Metamaterial according to claim 1, characterized in that the respective stabilization device ( 9 ) of a corresponding active particle ( 3 ; 3 ' ) from one, in the descent direction ( 10 ) of the active particle ( 3 ; 3 ' ), underside ballast part ( 11 ) and from at least one strip-shaped stabilizing element ( 12 ).

Metamaterial according to claim 1, characterized in that the respective stabilization device ( 9 ) of a corresponding active particle ( 3 ''; 3 ''' ) from one, in the descent direction ( 10 ) of the active particle ( 3 ''; 3 ''' ), underside ballast part ( 11 ) and from a top side arranged parachute-like stabilizing element ( 13 ).

Metamaterial according to claim 3, characterized in that the respective active particle ( 3 ''' ) in addition to the parachute-type stabilizing element ( 13 ) at least one element ( 14 ) for producing a controlled rotational movement of the active particle ( 3 ''' ).