一種零散射線形粒子及其構(gòu)成的電磁隱形材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種零散射線形粒子及其構(gòu)成的電磁隱形材料。粒子中心為金屬結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)包括呈直線周期排列的金屬單元，相鄰的金屬單元之間通過連接柱連接，金屬單元和連接柱外包裹有柱體的電介質(zhì)，構(gòu)成實(shí)心柱體結(jié)構(gòu)的零散射線形粒子，其中金屬單元直線排列的排列方向、電介質(zhì)柱體的高度方向與工作時(shí)入射電磁波的電場極化方向相同。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，可以針對(duì)不同應(yīng)用加工成任意形狀的材料或者結(jié)構(gòu)，實(shí)例仿真驗(yàn)證在工作頻率上得到了趨向于零的散射寬度；可直接通過結(jié)構(gòu)尺寸縮放拓展到射頻、太赫茲乃至光波等各個(gè)頻段，被廣泛用于隱身材料的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】一種零散射線形粒子及其構(gòu)成的電磁隱形材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種粒子和隱形材料，特別是涉及一種零散射線形粒子及其構(gòu)成的電磁隱形材料。

【背景技術(shù)】
[0002]電磁波在傳輸媒質(zhì)中的傳播、聚焦以及散射都是由傳輸媒質(zhì)的電磁特性決定的，而媒質(zhì)的電磁特性通?？梢杂媒殡姵?shù)和磁導(dǎo)率這兩個(gè)電磁參數(shù)來描述。在自然界中，幾乎所有的固體和液體都具有和自由空間不同的介電常數(shù)和/或磁導(dǎo)率，因此當(dāng)這些物體放置在自由空間中時(shí)，入射到上面的電磁波會(huì)不可避免地出現(xiàn)反射和折射。正是由于這種反射和折射使得自由空間中站在各個(gè)角度的觀察者都可以看到這些物體。反過來說，如果存在一種固體或者液體媒質(zhì)，他的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與自由空間完全一樣，則自由空間中的電磁波入射到任意形狀的這種媒質(zhì)上時(shí)均不會(huì)出現(xiàn)反射和折射，任何角度的觀察者都不能看到這個(gè)實(shí)際存在的可觸摸到的固體或者液體媒質(zhì)，即這種媒質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)自我隱形。
[0003]近十多年來經(jīng)歷了快速發(fā)展的人工電磁媒質(zhì)研究，產(chǎn)生了各種等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可隨意控制的具有特殊電磁特性的人工電磁材料。這種特殊人工復(fù)合材料的設(shè)計(jì)理論同時(shí)也使得上述這種理想的具有自我隱形特性的媒質(zhì)的實(shí)現(xiàn)成為了可能。與這個(gè)概念相關(guān)的隱身衣的研究曾經(jīng)產(chǎn)生了很大的轟動(dòng)，它是通過構(gòu)造某個(gè)具有空間色散特性的結(jié)構(gòu)來控制入射電磁波在結(jié)構(gòu)里的傳播路徑，使得電磁波繞過某個(gè)區(qū)域，在不改變外面總場的條件下實(shí)現(xiàn)某個(gè)區(qū)域內(nèi)物體的隱身。然而，這種結(jié)構(gòu)并不能稱為一種媒質(zhì)，因?yàn)樗碾姶艆?shù)具有很大的空間色散性，且結(jié)構(gòu)都是固定的，同時(shí)它的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種零散射線形粒子及其構(gòu)成的電磁隱形材料，利用亞波長尺寸的金屬電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)單元在某些頻帶內(nèi)具有大幅可調(diào)的等效相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的特性，適當(dāng)調(diào)節(jié)金屬電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)單元的形狀及尺寸，使其等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別與自由空間的值對(duì)應(yīng)相等，從而實(shí)現(xiàn)具有零散射寬度的零散射線形粒子，并以此構(gòu)造等效均勻且三維各向同性的具有自我隱形特性的人工電磁材料，使得用其構(gòu)造的任意形狀的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)自我隱形，將在雷達(dá)天線罩、電磁窗口等軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括:
[0006]粒子中心為金屬結(jié)構(gòu)，金屬結(jié)構(gòu)包括呈直線周期排列的金屬單元，相鄰的金屬單元之間通過連接柱連接,金屬單元和連接柱外包裹有柱體的電介質(zhì),構(gòu)成實(shí)心柱體結(jié)構(gòu)的零散射線形粒子，其中金屬單元沿直線排列的排列方向、電介質(zhì)柱體的高度方向與工作時(shí)入射電磁波的電場極化方向相同。
[0007]所述的金屬單元的排列周期小于工作波長的1/4。
[0008]所述的金屬單元在三對(duì)正交方向上均設(shè)有連接柱。
[0009]所述的連接柱為圓柱、棱柱或者橢圓柱。
[0010]所述的金屬單元為球體或多面體。
[0011]所述的金屬單元和連接柱的材料采用金、銀、銅、鋁或鐵。
[0012]所述的電介質(zhì)的材料采用聚砜、羅杰斯板、印刷電路板、特氟龍或FR4。
[0013]所述的電磁隱形材料由零散射線形粒子按照金屬結(jié)構(gòu)線性方向平行排列而成任意結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0015]I)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，可以將所述的零散射線形粒子以任意周期或者隨意排列成任意層數(shù)、任意形狀的三維離散或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)，均具有自我隱形的電磁特性。
[0016]2)匹配效果好，損耗小，透射率高，經(jīng)過實(shí)例仿真驗(yàn)證，在工作頻率上的散射寬度低達(dá)0.4 X 10_3倍空間寬度。
[0017]3)折射率穩(wěn)定，與自由空間的值相差不超過1%。
[0018]4)可通過縮放線形粒子的結(jié)構(gòu)尺寸使其工作在微波、射頻、太赫茲以及光波等各個(gè)頻段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1仿真得到的散射寬度。
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1粒子構(gòu)成的三維雙平板型電磁隱身材料的示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2仿真得到的散射寬度。
[0024]圖中:1、零散射線形粒子,2、金屬結(jié)構(gòu),3、金屬單元,4、連接柱,5、電介質(zhì)。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例子，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明的零散射線形粒子整體呈柱體結(jié)構(gòu)，粒子中心為金屬結(jié)構(gòu)2，金屬結(jié)構(gòu)2包括呈直線周期排列的金屬單元3，金屬單元3數(shù)量為至少兩個(gè)，相鄰的金屬單元3之間通過連接柱4連接，金屬單元3和連接柱4外包裹有柱體的電介質(zhì)5，構(gòu)成實(shí)心柱體結(jié)構(gòu)的零散射線形粒子1，其中金屬單元3沿直線排列的的排列方向、電介質(zhì)5柱體的高度方向與工作時(shí)入射電磁波的電場極化方向相同。
[0027]金屬單元3的排列周期為亞波長，優(yōu)選的小于工作波長的1/4。
[0028]優(yōu)選的金屬單元3在立體的三對(duì)相互垂直的正交方向均設(shè)有連接柱4。
[0029]優(yōu)選的連接柱4為圓柱、棱柱或者橢圓柱。
[0030]優(yōu)選的金屬單元3為球體或多面體。
[0031]優(yōu)選的金屬單元3和連接柱4的材料采用金、銀、銅、鋁或鐵。
[0032]優(yōu)選的電介質(zhì)5的材料采用聚砜、特氟龍、羅杰斯板、印刷電路板或FR4。
[0033]本發(fā)明的電磁隱形材料由零散射線形粒子I按照金屬結(jié)構(gòu)2線性方向平行排列而成任意結(jié)構(gòu)，可以為任何形狀的離散或者實(shí)體結(jié)構(gòu)。
[0034]本發(fā)明的原理如下:
[0035]由于上述零散射線形粒子的軸截面為亞波長尺寸，其電磁參數(shù)可以用等效的相對(duì)介電常數(shù)ε (ω)和相對(duì)磁導(dǎo)率μ (ω)表示。分別為以下公式:
[0036]ε (ω) = ε +1 ε 2(ω)
[0037]μ (ω) = μ χ ( ω ) +i μ 2 ( ω )
[0038]其中，ε Jco)為該等效媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部，ε 2 ( ω )為該等效媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的虛部(這部分的大小決定了材料的電損耗大小，ε 2(ω)越大表示媒質(zhì)的電損耗越大)。μ Jco)為該等效媒質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率的實(shí)部，μ 2(ω)為該等效媒質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率的虛部(這部分的大小決定了媒質(zhì)的磁損耗大小，μ2(ω)越大表示媒質(zhì)的磁損耗越大)。上述的ω為入射電磁波的角頻率，i為虛數(shù)單位。
[0039]當(dāng)入射電磁波的電場沿著z方向極化時(shí),線形粒子內(nèi)部連續(xù)的連接柱與電介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)會(huì)在微波頻段內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)等效的等離子體頻率，將本來在光波乃至紅外波段的金屬等離子頻率降到所需要的工作頻段，具體的工作頻段由連接柱的軸截面以及介質(zhì)層的尺寸和電磁參數(shù)決定。同時(shí)周期排列的金屬顆粒也會(huì)在相應(yīng)的頻段產(chǎn)生電諧振。上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)特性使得該線形粒子的等效介電常數(shù)色散符合具有兩個(gè)諧振的Drude-Lorentz模型。其中第一個(gè)諧振為Drude模型，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為0，是由連續(xù)的連接柱產(chǎn)生的。第二個(gè)諧振為Lorentz模型，對(duì)應(yīng)的諧振是由周期排列的正金屬顆粒產(chǎn)生的。兩個(gè)諧振頻率相離很遠(yuǎn)，其相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部ε ,(ω)會(huì)在兩個(gè)諧振頻率中間的某個(gè)頻率上等于1，同時(shí)具有很小的虛部ε 2 ( ω )。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)中不存在磁諧振結(jié)構(gòu)，根據(jù)混合媒質(zhì)理論，其等效磁導(dǎo)率μ (ω)大小可以通過改變金屬單元的顆粒尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0040]適當(dāng)調(diào)節(jié)金屬單元和連接柱的尺寸即可以實(shí)現(xiàn)在某個(gè)所需頻率上其對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均等于1，從而實(shí)現(xiàn)零散射。根據(jù)疊加原理，當(dāng)這種亞波長尺寸的線形粒子無散射時(shí)，其任意多個(gè)線形粒子排列在任意位置上均具有零散射特性，因此可以基于這種零散射線形粒子構(gòu)造出任意形狀的電大尺寸等效媒質(zhì)或者結(jié)構(gòu)，使其具有完美的自我隱形特性。
[0041]本發(fā)明的實(shí)施例如下:
[0042]實(shí)施例1
[0043]零散射線形粒子實(shí)例I的尺寸及組成媒質(zhì)如圖1所示。呈正方柱結(jié)構(gòu)的零散射線形粒子的軸截面是邊長a為7mm的正方形,金屬結(jié)構(gòu)為銅，電導(dǎo)率為5.96X 107S/m,金屬單元的排列周期c為7mm,正方體金屬顆粒的邊長c為4mm,正方體金屬顆粒六個(gè)面上突起的細(xì)小方柱型連接柱的軸截面邊長d為0.6mm,長度為1.5mm。本實(shí)例中選擇的電介質(zhì)為聚砜(Polysulfone)，相對(duì)介電常數(shù)為2.97，損耗正切為0.0013，相對(duì)磁導(dǎo)率為I。對(duì)應(yīng)的零散射工作頻率為10GHz。仿真結(jié)果如圖2所示，在工作頻率上，電磁波垂直入射時(shí)，該零散射線形粒子的散射寬度僅為其空間尺寸的0.4X 1-3倍。同時(shí)根據(jù)反演算法得到的該等效媒質(zhì)的折射率為1.001，幾乎與自由空間完全一致。
[0044]用上述零散射線形粒子構(gòu)成的三維雙層平板型隱形材料的示意圖如圖3所示，由于其具有三維對(duì)稱性，所示的隱形材料可以對(duì)任意極化的TE波工作。
[0045]本實(shí)例的工作頻率為10GHz，如果要工作在其他頻率，只需要根據(jù)工作波長比例調(diào)整金屬單元的尺寸。
[0046]實(shí)施例2
[0047]零散射線形粒子實(shí)例2的尺寸及組成媒質(zhì)如圖4所示。呈正方柱結(jié)構(gòu)的零散射線形粒子的軸截面是邊長a為7mm的正方形,金屬結(jié)構(gòu)為銅，電導(dǎo)率為5.96X 107S/m,球體金屬單元的排列周期c為7mm,半徑為2.5mm,直徑b為5mm,球體金屬顆粒的三個(gè)正交方向上突起的圓柱型連接柱的軸截面是半徑為0.148mm的圓,其直徑d為0.296mm,長度為1_。本實(shí)例中選擇的電介質(zhì)仍為聚砜(Polysulfone)，對(duì)應(yīng)的零散射工作頻率仍為10GHz。仿真結(jié)果如圖5所示，在工作頻率上，電磁波垂直入射時(shí)，該零散射線形粒子的散射寬度僅為其空間尺寸的0.45XlOH
[0048]本實(shí)例的工作頻率仍為10GHz，如果要工作在其他頻率，只需要根據(jù)工作波長比例調(diào)整金屬單元的尺寸。
[0049]具體實(shí)施中，本發(fā)明的金屬結(jié)構(gòu)的金屬單元3和連接柱4的材料采用金、銀、鋁或鐵等其他金屬材料四，在微波頻段下其各導(dǎo)電特性幾乎沒有差別，對(duì)最終效果幾乎沒有影響，因此金、銀、鋁或鐵均可用作金屬結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行替換。并且，連接柱4中采用的圓柱、棱柱或者橢圓柱，在亞波長的尺寸下對(duì)電磁波的響應(yīng)相同，對(duì)最終效果幾乎沒有影響，因此可在具體實(shí)施中隨意替換。
[0050]需要注意的是本實(shí)施例子僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明后，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明所做的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種零散射線形粒子，其特征在于:粒子中心為金屬結(jié)構(gòu)(2)，金屬結(jié)構(gòu)(2)包括呈直線周期排列的金屬單元(3)，相鄰的金屬單元(3)之間通過連接柱(4)連接，金屬單元(3)和連接柱(4)外包裹有柱體的電介質(zhì)(5)，構(gòu)成實(shí)心柱體結(jié)構(gòu)的零散射線形粒子(I )，其中金屬單元(3)沿直線排列的排列方向、電介質(zhì)(5)柱體的高度方向與工作時(shí)入射電磁波的電場極化方向相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的金屬單元(3)的排列周期小于工作波長的1/4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的金屬單元(3)在三對(duì)正交方向上均設(shè)有連接柱(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的連接柱(4)為圓柱、棱柱或者橢圓柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的金屬單元(3)為球體或多面體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的金屬單元(3)和連接柱(4)的材料采用金、銀、銅、鋁或鐵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的電介質(zhì)(5)的材料采用聚砜、羅杰斯板、印刷電路板、特氟龍或FR4。
8.由根據(jù)權(quán)利要求1?7任一所述粒子構(gòu)成的一種電磁隱形材料，其特征在于:所述的電磁隱形材料由零散射線形粒子(I)按照金屬結(jié)構(gòu)(2)線性方向平行排列而成任意結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01Q17/00GK104167610SQ201410344098
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】葉德信, 朱忠博, 皇甫江濤, 冉立新 申請(qǐng)人:浙江大學(xué), 西安空間無線電技術(shù)研究所