WO2011134597A1 - Metamaterial - Google Patents

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Rheinmetall Waffe Munition GmbH
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    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H3/00—Camouflage, i.e. means or methods for concealment or disguise
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41J—TARGETS; TARGET RANGES; BULLET CATCHERS
    • F41J2/00—Reflecting targets, e.g. radar-reflector targets; Active targets transmitting electromagnetic or acoustic waves
    • 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
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Definitions

  • 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.
  • 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 may be generated, resulting in interesting effects such as superlensing, hyperlensing, and cloaking (obscuring 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.
  • the electromagnetic radiation of a predetermined frequency range for example, the radar or IR radiation of a hostile reconnaissance
  • the electromagnetic radiation of a predetermined frequency range passed through 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.
  • the active particles enveloping the object should have metallic structures which form a regular grid and lower right on the directional vector to the object to be protected (Pendry, JB et al., Controlling electromagnetic fields, Science 312, 1780-1782 (2006)).
  • 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.
  • the metamaterial should be able to be applied as a mist by firing fog grenades or by mist generator (s).
  • 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 ⁇ - about 10-20 ⁇ .
  • the application of the metal layer eg copper
  • 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 dimensions of the metallic structures used are determined by the frequency of the radiation to be disrupted and the size of the depending on the object.
  • the structures may have the known form of broken ring resonators.
  • 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 devices, the respective stabilizing device of the corresponding active particle after stabilizing Metamaterials in the atmosphere - in his descent to earth aligned so that the surface normal of the active particle, and thus its object facing metallic structure, arranged substantially perpendicular to the descent direction and thus during descent also temporarily perpendicular to the directional vector of the object to be protected is. This will ensure a good effect.
  • 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.
  • 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.
  • parachute-type stabilizing elements 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.
  • Metadüppel Metal and Metanebel
  • they can be fired with an ammunition, etc., and thus an object can be made invisible, as if it did not exist.
  • a chaff cloud with special In order to form 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.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an object which is rendered invisible by an inventive metamaterial for electromagnetic radiation of a corresponding frequency band applied as a fog;
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the object shown in FIG. 1 and of some active particles aligned with the object for explaining the invention
  • FIG. 6 shows an embodiment corresponding to FIG. 5, in which, in addition to the parachute-type stabilizing element, two elements are provided for the controlled rotational movement of the active particle.
  • FIG. 1 designates an object which has been made invisible by a metamaterial 2 according to the invention for electromagnetic radiation of a corresponding frequency band, applied as a mist.
  • the metamaterial 2 consists of a multiplicity of structurally identical active particles 3, which are distributed around the object 1 to be protected in the form of a hollow cylinder.
  • Each of the active particles 3 comprises an electrically non-conductive substrate 4 (for example, a polyester film with a wall thickness of 15 ⁇ ), on the as a metallic structure 5 a conductor track element in the form of a broken ring resonator is vapor-deposited or printed.
  • an electrically non-conductive substrate 4 for example, a polyester film with a wall thickness of 15 ⁇
  • the metamaterial 2 causes an incident wave 6 directed towards the object 1 to run around the object 1 and then again leaves the metamaterial 2 as a plane failure wave 7, so that the failure wave 7 has no indication of the presence of the Object 1 is removable.
  • the surface normals 8 correspond to the direction vector of the object 1 to be protected.
  • the active particles 3 each have a stabilizing device 9, which they align with the sinking to the ground in a preferred direction.
  • the stabilizing device 9 essentially consists of a ballast part 11, seen in the direction of descent 10 of the active particle 3, and a strip-shaped stabilizing element 12 arranged on the upper side.
  • FIG. 4 shows an active particle 3 'corresponding to FIG. 3, which comprises two strip-shaped stabilizing elements 12 arranged parallel to one another.
  • FIG. 5 shows an active particle 3 ", in which the stabilizing device in turn comprises a ballast part 11, seen in the direction of descent of the active particle 3", in which, however, the stabilizing element 13 arranged on the upper side is parachute-shaped.
  • the active particles denoted by 3 "' in FIG. 6 essentially correspond to the active particles 3 " shown in FIG. 5, additional elements 14 being used to produce a congruent particle. trolled rotational movement of the active particle 3 "'are provided around its directed in the direction of descent longitudinal axis.

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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.

Description

BESCHREIBUNG
Metamaterial
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.
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.
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 senk- recht auf dem Richtungsvektor zum zu schützenden Objekt stehen (Pendry, J.B. 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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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 μιη - ca. 10-20μηι. 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 schützen- den Objektes abhängig. Die Strukturen können die bekannte Form von unterbrochenen Ringresonatoren haben.
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.
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.
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.
Eine Ausweitung dieses Schutzprinzip für höhere Frequenzen bis hin zu sichtbarem Licht ist dadurch machbar, wenn die Abmessungen der metallischen Strukturen kleiner als μιη (nm- Abmessungen) werden. Diese Wirkteilchen können dann zu bereits bekannten Nebelsorten (Rp-, NT-, KM-Nebel) hinzu gemischt und so später verbreitet werden.
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.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung eines Objektes, welches durch ein als Nebel ausgebrachtes erfindungsgemäßes Metamaterial für elektromagnetische Strahlung eines entsprechenden Frequenzbandes unsichtbar gemacht wird;
Fig.2 eine schematische Darstellung des in Fig.1 gezeigten Objektes und einiger zu dem Objekt ausgerichteter Wirkteilchen zur Erläuterung der Erfindung;
Fig.3, 4 zwei Ausführungsbeispiele von Wirkteilchen mit als Stabilisierungselementen dienenden streifenförmigen Verlängerungen des Trägermaterials der Wirkteilchen;
Fig.5 das Ausführungsbeispiel eines Wirkteilchens mit einem fallschirmartigen Stabilisierungselement und
Fig.6 ein Fig.5 entsprechendes Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich zu dem fallschirmartigen Stabilisierungselement zwei Elemente zur kontrollierten Rotationsbewegung des Wirkteilchens vorgesehen sind.
In Fig.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.
Jedes der Wirkteilchen 3 (vgl. auch die Fig.3-6) umfasst ein elektrisch nicht leitendes Trägermaterial 4 (beispielsweise eine Polyesterfolie mit einer Wandstärke von 15μιτι), auf der als metallische Struktur 5 ein Leiterbahnelement in Form eines unterbrochenen Ringresonators aufgedampft oder aufgedruckt ist.
Wie in Fig.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.
In Fig.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.
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.
In Fig.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.
Fig.4 zeigt ein Fig.3 entsprechendes Wirkteilchen 3', welches zwei parallel zueinander angeordnete streifenförmige Stabilisierungselemente 12 umfasst.
In Fig.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.
Das in Fig.6 mit 3" ' bezeichnete Wirkteilchen entspricht im Wesentlichen dem in Fig.5 dargestellten Wirkteilchen 3", wobei zusätzliche Elemente 14 zur Erzeugung einer kon- trollierten Rotationsbewegung des Wirkteilchens 3" ' um seine in Sinkflugrichtung gerichtete Längsachse vorgesehen sind.
Bezugszeichenliste
Objekt
Metamaterial
-3" ' Wirkteilchen
Trägermaterial
metallische Struktur Einfallswelle
Ausfallswelle
Flächennormale, Richtungsvektor Stabilisierungseinrichtung Sinkflugrichtung
Ballastteil
,13 Stabilisierungselemente
Element

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Metamaterial, 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, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Wirkteilchen (3-3"') des Metamaterials (2) Stabilisierungseinrichtungen (9) umfassen, welche die entsprechenden Wirkteilchen (3-3" ') nach Ausbringen des Metamaterials (2) in die Atmosphäre bei ihrem Sinkflug zur Erde derart ausrichten, dass ihre Flächennormalen (8) im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Sinkflugrichtung (10) angeordnet sind.
Metamaterial nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweilige Stabilisierungseinrichtung (9) eines entsprechenden Wirkteilchens (3; 3') aus einem, in Sinkflugrichtung (10) des Wirkteilchens (3; 3') gesehen, unterseitigen Ballastteil (11) und aus mindestens einem oberseitig angeordneten streifenförmigen Stabilisierungselement (12) zusammensetzt.
Metamaterial nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweilige Stabilisierungseinrichtung (9) eines entsprechenden Wirkteilchens (3"; 3" ') aus einem, in Sinkflugrichtung (10) des Wirkteilchens (3"; 3" ') gesehen, unterseitigen Ballastteil (11 ) und aus einem oberseitig angeordneten fallschirmartigen Stabilisierungselement (13) zusammensetzt.
Metamaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Wirkteilchen (3" ') zusätzlich zu dem fallschirmartigen Stabilisierungselement (13) mindestens ein Element (14) zur Erzeugung einer kontrollierten Rotationsbewegung des Wirkteilchens (3" ') umfasst.
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