一種三維全極化的超表面隱身衣的製作方法與工藝

2023-08-07 20:03:51

本發明屬於電磁波隱身領域，具體涉及一種全極化的幅度和相位保持的超表面隱身衣。

背景技術：
從中國名著西遊記到希臘的神話故事，以至現在的哈利波特，人們對於隱身的美好幻想從未停歇。近些年來，隨著異向介質的發展，電磁波隱身已經不再只是美好的幻想。電磁波是指由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以周期波動的形式進行能量和動量傳遞的一種波。電磁波譜包括電磁輻射所有可能的頻率，電磁波譜頻率從低到高分別為無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。一般地，電磁波照射到物體上，不能完全地傳播到物體後面，而會在物體上發生散射。雷達根據反射回來的電磁波來測定目標的方向、距離、高度等。傳統的隱身技術是通過在結構表面塗敷各種功能材料，從而達到損耗或散射雷達波以及抑制目標表面紅外輻射強度的目的。但是這些隱身塗敷材料是基於吸波原理來實現隱身的，僅適用於單基站雷達隱身，而不能對雙基站雷達隱身，因此很容易就被雙基站雷達發現，無法實現結構的完美隱身。在光波段，現有的隱身技術還是軍事迷彩等，然後，隨著背景環境的改變，這種技術將不再具有隱身效果，因此這只是一種偽裝技術，而不是真正地從視線中消失。另有一種隱身方法，通過光纖，將光線從一側引導到另一側，從而繞過中間的物體，但這樣的裝置對光纖的工藝要求較高，並且需要數量龐大的光纖，而且只能實現一個方向上的隱身。因此，這些隱身方法都不是一般人所能接收的理想隱身方法。理想的隱身衣原理不是吸波而是改變波的傳播路線，電磁波繞過被隱身的物體，並在物體的另一邊按照原來的路徑傳播，電磁波不會被物體擋住，從而使物體後面不會呈現出陰影區域。這種情況下，電磁波照射到物體上，相當於該物體不存在，也即物體得到了完美的隱身。目前主要有兩種電磁波隱身的方法，其一是基於散射相消原理；等離子材料覆蓋在介質物體上，激發的偶極子將會彼此相抵消，散射場明顯降低，從而實現內部物體隱身。在微波段，可用異向介質來實現此隱身功能。但是，當被隱藏物體的尺寸增大時，需要更高的偶極子模式，這在現實中很難實現。另一種方法是Pendry提出的變換光學法；利用麥克斯韋方程組的度量不變性和坐標變換法，在實空間中創造一個「洞」，光線可以平整地繞過這個「洞」。在實驗驗證中，他們採用一種異向介質(Metamaterial)材料來實現：採用金屬圖案陣列構造出等效介電常數和等效磁導率參數隨空間變化的、具有各向異性特性的介質，並使這些等效介質在柱坐標系中按照一定要求放置，來實現圓柱形的隱身器件。但是這種採用金屬圖案陣列構造隱身器件的方法，構造方法比較複雜，並且由於金屬在光頻段的損耗很大，以及尺度變小後加工困難，上述方法基本上只能用於微波或遠紅外頻段。由於Pendry等提出的隱身器件設計方法對材料的要求非常苛刻，實現起來很困難，價格昂貴，同時這種材料由於色散很劇烈，只能工作在很窄的一個頻率區間，而且採用這種方法實現的隱身器件只對特定極化的電磁波有效，不能實現對任意極化電磁波的隱身。總而言之，現有技術上的上述隱身方法的局限性主要有：1.大多數傳統隱身衣只能應用於特定極化電磁波，如果要實現傳統體隱身衣的全極化，需要控制六個電磁參數，即介電常數的三個空間分量和磁導率的三個空間分量，這使得實現難度非常大。2.大多數隱身衣均採用光程近似，即保持參數的折射率不變，改變阻抗，以便利用現有的材料實現，但是如果阻抗不匹配會造成很強的反射，被隱身物體仍然可以被探測到。3.已有的全極化隱身衣均採用準保角變換方法設計，但是這種方法會使反射波引入一個側向偏移，所以物體並沒有得到完美隱身。

技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種三維全極化的超表面隱身衣，從而克服現有技術的全部或部分缺陷。為實現上述目的，本發明所採取的技術方案是：本發明一種三維全極化的超表面隱身衣由相移諧振單元無縫拼接而成；所述相移諧振單元由上層介質、中間層介質和下層介質構成，相移諧振單元的每條輪廓線尺寸均小於工作電磁波波長；上層介質為具有全極化功能的諧振結構，上層介質固定在中間層介質的上表面，中間層介質是非金屬層，下層介質是金屬層，下層介質的上表面和中間層介質的下表面緊貼且完全吻合；每個相移諧振單元的改變的反射波相位滿足式(1)所示的條件：δ＝180°-2kbhcos(θ)(1)式(1)中，δ為改變的反射波相位，θ為隱身衣的工作電磁波與水平面夾角的餘角，h為相移諧振單元的幾何中心距離地面的高度，kb為隱身衣的工作電磁波波數。進一步地，本發明所述具有全極化功能的諧振結構為能夠對不同極化電磁波激發相同諧振的金屬圖案或電介質圖案。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明超表面隱身衣簡易輕便，經濟實惠，厚度小於工作電磁波波長，屬於超薄型，可以隱身任意形狀和尺寸的物體。相移諧振單元設計靈活，與被隱身物體的大小形狀無關。現有技術中，如果要實現傳統體隱身衣的全極化，需要控制6個電磁參數，即介電常數的三個空間分量和磁導率的三個空間分量，這使得實現難度非常大；而本發明超表面隱身衣採用的相移諧振單元對電磁波的極化方向不敏感，克服了只能應用於特定極化電磁波隱身衣的缺點。與傳統的基於擬共形映射的地毯式隱身衣相比，本發明超表面隱身衣的每個相移諧振單元的改變的反射波相位滿足式(1)所示的條件，不會產生不必要的反射波橫向偏移。與基於光程近似的地毯式隱身衣相比，本發明超表面隱身衣能夠完美恢復不同極化波的反射波幅度和相位。本發明超表面隱身衣適用於所有電磁波頻段，尤其在微波段具有非常好的隱身效果，並能實現在任意工作電磁波入射角度下的隱身。附圖說明圖1是下層介質、中間層介質均為立方體的相移諧振單元的示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是諧振結構為雙工字型金屬圖案的相移諧振單元的俯視圖；圖4是下層介質、中間層介質均為正六稜柱的相移諧振單元的示意圖；圖5是本發明呈凸面狀的超表面隱身衣的示意圖；圖6是本發明呈平面狀的超表面隱身衣的俯視圖；圖7是本發明超表面隱身衣的原理圖；圖8是電磁波入射到金屬圓臺上的反射示意圖；圖9是電磁波入射到圖5所示的電磁波隱身衣時的隱身效果示意圖；圖中，1.表示相移諧振單元的下層介質；2.表示相移諧振單元的中間層介質；3.表示相移諧振單元的上層介質；4.表示呈圓環型金屬圖案的諧振結構；5.表示中間層介質的上表面；6.表示呈雙工字型金屬圖案的諧振結構；7.表示正六邊形相移諧振單元的中間層介質的上表面；8a-8e.表示相移諧振單元的中間層介質；9a-9e.表示刻蝕在中間層介質上表面的圓環型金屬圖案；10a-10e.表示相移諧振單元的中間層介質；11a-11e.表示刻蝕在10a-10e的中間層介質上表面的圓環型金屬圖案；12.表示放置被隱身物體的底面；13.表示超表面隱身衣的其中一個相移諧振單元；14.表示工作電磁波入射波束；15a-15g.表示工作電磁波入射到金屬圓臺側面和上表面上的反射波束；16.金屬圓臺；17a-17g.表示工作電磁波入射到有電磁波隱身衣包圍的金屬圓臺時的反射波束。具體實施方式本發明所指的電磁波頻段包括電磁輻射所有可能的頻率。電磁波頻段從低到高分別列為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。電磁波頻段是無限的，而且是連續的。電磁波的極化表徵在空間給定點上電場強度矢量的取向隨時間變化的特性，並用電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡來描述。若該軌跡是直線，則稱直線極化；若軌跡是圓，則稱為圓極化；若軌跡是橢圓，則稱為橢圓極化。入射波的電場矢量與入射面垂直，入射波的磁場與入射面平行，則稱TE波；入射波的電場矢量與入射面平行，入射波的磁場垂直於入射面，則稱TM波；電場分量和磁場分量都只垂直於電磁波的傳播方向，則稱TEM波。電磁波的幅度是指電磁波的最大值與最小值之間的差，電磁波的相位是描述電磁波在特定時刻處在循環中的位置，在波峰、波谷或它們之間某點的標度。本發明所說的無縫拼接是指相移諧振單元的側面與相鄰的相移諧振單元的側面之間通過粘合或緊密貼合等方式拼接在一起，從來形成一個無縫的整體(如圖5和圖6所示)。需要說明的是，如果被隱身物體的表面是平面，則用於對其隱身的隱身衣亦可呈平面狀(如圖6所示)，此時相移諧振單元之間可以不需要粘合在一起，而只要相鄰的相移諧振單元的側面相互之間緊密貼合在一起，形成無縫排列即可構成隱身衣(如圖6所示)。電磁波是指由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以周期波動的形式進行能量和動量傳遞的一種波。當電磁波遇到障礙物時，反射波會紊亂。如果將本發明超表面隱身衣覆蓋障礙物，則電磁波入射後可實現沒有障礙物時一樣的反射效果。如圖1和圖2所示，本發明超表面隱身衣的相移諧振單元由上層介質3、中間層介質2和下層介質1構成，相移諧振單元的每條輪廓線尺寸均小於工作電磁波波長；上層介質3為具有全極化功能的諧振結構4，上層介質3固定在中間層介質2的上表面5，中間層介質2是非金屬層，下層介質1是金屬層，下層介質1的上表面和中間層介質2的下表面緊貼且完全吻合。下層介質1的下表面為隱身衣的內表面。具有全極化功能的諧振結構可為圓環、雙工字型、正方形環等金屬圖案或電介質圖案，能夠對不同極化電磁波激發相同的諧振。圖2中採用的諧振結構4是圓環金屬圖案，圖3中採用的諧振結構6是雙工字型金屬圖案。相移諧振單元的中間層介質和下層介質設計也很靈活，形式多樣。例如，圖4示出的相移諧振單元的下層介質、中間層介質均為正六稜柱。超表面隱身衣的每個相移諧振單元需要的「改變的反射波相位」與工作電磁波波數、工作電磁波入射角度和距離底面高度有關。在本發明中，可通過改變上層介質的尺寸，使每個相移諧振單元的改變的反射波相位滿足式(1)所示的條件：δ＝180°-2kbhcos(θ)(1)式(1)中，δ表示改變的反射波相位，θ表示隱身衣的工作電磁波與水平面夾角的餘角，h表示相移諧振單元的幾何中心距離地面的高度，kb表示隱身衣的工作電磁波波數。本發明超表面隱身衣由相移諧振單元無縫拼接而成，如圖5所示。圖5中的相移諧振單元的諧振結構為圓環金屬圖案，圓環9a-9e的尺寸不同。以下結合圖7中的相移諧振單元13來具體說明如何設計超表面隱身衣上的相移諧振單元。假設工作電磁波入射波束14以任意角度θ入射到本發明超表面隱身衣上，那麼構成超表面隱身衣的每個相移諧振單元需要的改變的反射波相位δ不同，相移諧振單元13距離放置被隱身物體的底面12的高度為h，將其帶入(1)式，計算出改變的反射波相位δ。實踐中，可利用電磁仿真軟體設計上層介質的尺寸(即諧振結構的尺寸)，使相移諧振單元的改變的反射波相位為δ。根據如上方法，依次計算出每個相移諧振單元需要的改變的反射波相位，並仿真得到對應的相移諧振單元。當電磁波束遇到障礙物時，反射波紊亂。圖8中，工作電磁波垂直入射到障礙物金屬圓臺16上，15a、15b、15c、15d、15e表示工作電磁波入射到金屬圓臺16的側面上的反射波，15f、15g表示工作電磁波入射到金屬圓臺16的頂面(即上表面)上的反射波。這些射線表示所處位置處的電磁波束的傳播特性，射線的方向表示射線所處位置處的電磁波束的能量傳播方向。由圖8可以清晰地看出，金屬圓臺的側面上和頂面上的反射波方向都不一樣，很容易被探測到。如圖9所示，在將本發明超表面隱身衣覆蓋在金屬圓臺16上後，工作電磁波的反射波束17a-17g的幅度和相位一致，等同於金屬圓臺16不存在，實現了對金屬圓臺16的隱身。除了金屬圓臺外，本發明隱身衣還可針對其他任意形狀的物體實現隱身。