CN104167610B - 一种零散射线形粒子及其构成的电磁隐形材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种零散射线形粒子及其构成的电磁隐形材料。粒子中心为金属结构，金属结构包括呈直线周期排列的金属单元，相邻的金属单元之间通过连接柱连接，金属单元和连接柱外包裹有柱体的电介质，构成实心柱体结构的零散射线形粒子，其中金属单元直线排列的排列方向、电介质柱体的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。本发明结构简单，加工方便，可以针对不同应用加工成任意形状的材料或者结构，实例仿真验证在工作频率上得到了趋向于零的散射宽度；可直接通过结构尺寸缩放拓展到射频、太赫兹乃至光波等各个频段，被广泛用于隐身材料的相关应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种粒子和隐形材料，特别是涉及一种零散射线形粒子及其构成的电磁隐形材料。
背景技术
电磁波在传输媒质中的传播、聚焦以及散射都是由传输媒质的电磁特性决定的，而媒质的电磁特性通常可以用介电常数和磁导率这两个电磁参数来描述。在自然界中，几乎所有的固体和液体都具有和自由空间不同的介电常数和/或磁导率，因此当这些物体放置在自由空间中时，入射到上面的电磁波会不可避免地出现反射和折射。正是由于这种反射和折射使得自由空间中站在各个角度的观察者都可以看到这些物体。反过来说，如果存在一种固体或者液体媒质，他的介电常数和磁导率与自由空间完全一样，则自由空间中的电磁波入射到任意形状的这种媒质上时均不会出现反射和折射，任何角度的观察者都不能看到这个实际存在的可触摸到的固体或者液体媒质，即这种媒质可以实现自我隐形。
近十多年来经历了快速发展的人工电磁媒质研究，产生了各种等效介电常数和磁导率可随意控制的具有特殊电磁特性的人工电磁材料。这种特殊人工复合材料的设计理论同时也使得上述这种理想的具有自我隐形特性的媒质的实现成为了可能。与这个概念相关的隐身衣的研究曾经产生了很大的轰动，它是通过构造某个具有空间色散特性的结构来控制入射电磁波在结构里的传播路径，使得电磁波绕过某个区域，在不改变外面总场的条件下实现某个区域内物体的隐身。然而，这种结构并不能称为一种媒质，因为它的电磁参数具有很大的空间色散性，且结构都是固定的，同时它的实现相对复杂。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种零散射线形粒子及其构成的电磁隐形材料，利用亚波长尺寸的金属电介质复合结构单元在某些频带内具有大幅可调的等效相对介电常数和磁导率的特性，适当调节金属电介质复合结构单元的形状及尺寸，使其等效介电常数和磁导率分别与自由空间的值对应相等，从而实现具有零散射宽度的零散射线形粒子，并以此构造等效均匀且三维各向同性的具有自我隐形特性的人工电磁材料，使得用其构造的任意形状的结构能实现自我隐形，将在雷达天线罩、电磁窗口等军事和民用领域具有广阔的应用前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：
粒子中心为金属结构，金属结构包括呈直线周期排列的金属单元，相邻的金属单元之间通过连接柱连接，金属单元和连接柱外包裹有柱体的电介质，构成实心柱体结构的零散射线形粒子，其中金属单元沿直线排列的排列方向、电介质柱体的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。
所述的金属单元的排列周期小于工作波长的1/4。
所述的金属单元在三对正交方向上均设有连接柱。
所述的连接柱为圆柱、棱柱或者椭圆柱。
所述的金属单元为球体或多面体。
所述的金属单元和连接柱的材料采用金、银、铜、铝或铁。
所述的电介质的材料采用聚砜、罗杰斯板、印刷电路板、特氟龙或FR4。
所述的电磁隐形材料由零散射线形粒子按照金属结构线性方向平行排列而成任意结构。
本发明具有的有益效果是：
1)结构简单，实现方便，成本低廉，可以将所述的零散射线形粒子以任意周期或者随意排列成任意层数、任意形状的三维离散或实体结构，均具有自我隐形的电磁特性。
2)匹配效果好，损耗小，透射率高，经过实例仿真验证，在工作频率上的散射宽度低达0.4×10-3倍空间宽度。
3)折射率稳定，与自由空间的值相差不超过1％。
4)可通过缩放线形粒子的结构尺寸使其工作在微波、射频、太赫兹以及光波等各个频段。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例1仿真得到的散射宽度。
图3是本发明实施例1粒子构成的三维双平板型电磁隐身材料的示意图。
图4是本发明实施例2的结构示意图。
图5是本发明实施例2仿真得到的散射宽度。
图中：1、零散射线形粒子，2、金属结构，3、金属单元，4、连接柱，5、电介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例子，进一步阐明本发明。
本发明的零散射线形粒子整体呈柱体结构，粒子中心为金属结构2，金属结构2包括呈直线周期排列的金属单元3，金属单元3数量为至少两个，相邻的金属单元3之间通过连接柱4连接，金属单元3和连接柱4外包裹有柱体的电介质5，构成实心柱体结构的零散射线形粒子1，其中金属单元3沿直线排列的的排列方向、电介质5柱体的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。
金属单元3的排列周期为亚波长，优选的小于工作波长的1/4。
优选的金属单元3在立体的三对相互垂直的正交方向均设有连接柱4。
优选的连接柱4为圆柱、棱柱或者椭圆柱。
优选的金属单元3为球体或多面体。
优选的金属单元3和连接柱4的材料采用金、银、铜、铝或铁。
优选的电介质5的材料采用聚砜、特氟龙、罗杰斯板、印刷电路板或FR4。
本发明的电磁隐形材料由零散射线形粒子1按照金属结构2线性方向平行排列而成任意结构，可以为任何形状的离散或者实体结构。
本发明的原理如下：
由于上述零散射线形粒子的轴截面为亚波长尺寸，其电磁参数可以用等效的相对介电常数ε(ω)和相对磁导率μ(ω)表示。分别为以下公式：
ε(ω)＝ε1(ω)+iε2(ω)
μ(ω)＝μ1(ω)+iμ2(ω)
其中，ε1(ω)为该等效媒质的相对介电常数的实部，ε2(ω)为该等效媒质相对介电常数的虚部(这部分的大小决定了材料的电损耗大小，ε2(ω)越大表示媒质的电损耗越大)。μ1(ω)为该等效媒质的相对磁导率的实部，μ2(ω)为该等效媒质相对磁导率的虚部(这部分的大小决定了媒质的磁损耗大小，μ2(ω)越大表示媒质的磁损耗越大)。上述的ω为入射电磁波的角频率，i为虚数单位。
当入射电磁波的电场沿着z方向极化时，线形粒子内部连续的连接柱与电介质混合结构会在微波频段内产生一个等效的等离子体频率，将本来在光波乃至红外波段的金属等离子频率降到所需要的工作频段，具体的工作频段由连接柱的轴截面以及介质层的尺寸和电磁参数决定。同时周期排列的金属颗粒也会在相应的频段产生电谐振。上述两个结构特性使得该线形粒子的等效介电常数色散符合具有两个谐振的Drude-Lorentz模型。其中第一个谐振为Drude模型，对应的谐振频率为0，是由连续的连接柱产生的。第二个谐振为Lorentz模型，对应的谐振是由周期排列的正金属颗粒产生的。两个谐振频率相离很远，其相对介电常数的实部ε1(ω)会在两个谐振频率中间的某个频率上等于1，同时具有很小的虚部ε2(ω)。由于整个结构中不存在磁谐振结构，根据混合媒质理论，其等效磁导率μ(ω)大小可以通过改变金属单元的颗粒尺寸进行调节。
适当调节金属单元和连接柱的尺寸即可以实现在某个所需频率上其对应的相对介电常数和磁导率均等于1，从而实现零散射。根据叠加原理，当这种亚波长尺寸的线形粒子无散射时，其任意多个线形粒子排列在任意位置上均具有零散射特性，因此可以基于这种零散射线形粒子构造出任意形状的电大尺寸等效媒质或者结构，使其具有完美的自我隐形特性。
本发明的实施例如下：
实施例1
零散射线形粒子实例1的尺寸及组成媒质如图1所示。呈正方柱结构的零散射线形粒子的轴截面是边长a为7mm的正方形，金属结构为铜，电导率为5.96×107S/m，金属单元的排列周期c为7mm，正方体金属颗粒的边长c为4mm，正方体金属颗粒六个面上突起的细小方柱型连接柱的轴截面边长d为0.6mm，长度为1.5mm。本实例中选择的电介质为聚砜(Polysulfone)，相对介电常数为2.97，损耗正切为0.0013，相对磁导率为1。对应的零散射工作频率为10GHz。仿真结果如图2所示，在工作频率上，电磁波垂直入射时，该零散射线形粒子的散射宽度仅为其空间尺寸的0.4×10-3倍。同时根据反演算法得到的该等效媒质的折射率为1.001，几乎与自由空间完全一致。
用上述零散射线形粒子构成的三维双层平板型隐形材料的示意图如图3所示，由于其具有三维对称性，所示的隐形材料可以对任意极化的TE波工作。
本实例的工作频率为10GHz，如果要工作在其他频率，只需要根据工作波长比例调整金属单元的尺寸。
实施例2
零散射线形粒子实例2的尺寸及组成媒质如图4所示。呈正方柱结构的零散射线形粒子的轴截面是边长a为7mm的正方形，金属结构为铜，电导率为5.96×107S/m，球体金属单元的排列周期c为7mm，半径为2.5mm，直径b为5mm，球体金属颗粒的三个正交方向上突起的圆柱型连接柱的轴截面是半径为0.148mm的圆，其直径d为0.296mm，长度为1mm。本实例中选择的电介质仍为聚砜(Polysulfone)，对应的零散射工作频率仍为10GHz。仿真结果如图5所示，在工作频率上，电磁波垂直入射时，该零散射线形粒子的散射宽度仅为其空间尺寸的0.45×10-3倍。
本实例的工作频率仍为10GHz，如果要工作在其他频率，只需要根据工作波长比例调整金属单元的尺寸。
具体实施中，本发明的金属结构的金属单元3和连接柱4的材料采用金、银、铝或铁等其他金属材料，在微波频段下其各导电特性几乎没有差别，对最终效果几乎没有影响，因此金、银、铝或铁均可用作金属结构的材料进行替换。并且，连接柱4中采用的圆柱、棱柱或者椭圆柱，在亚波长的尺寸下对电磁波的响应相同，对最终效果几乎没有影响，因此可在具体实施中随意替换。
需要注意的是本实施例子仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，相关领域的技术人员对本发明所做的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求限定的范围。
Claims (8)
1.一种零散射线形粒子，其特征在于：粒子中心为金属结构（2），金属结构（2）包括呈直线周期排列的金属单元（3），相邻的金属单元（3）之间通过连接柱（4）连接，金属单元（3）和连接柱（4）外包裹有柱体的电介质（5），构成实心柱体结构的零散射线形粒子（1），其中金属单元（3）沿直线排列的排列方向、电介质（5）柱体的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。
2.根据权利要求1所述的一种零散射线形粒子，其特征在于：所述的金属单元（3）的排列周期小于工作波长的1/4。
3.根据权利要求1所述的一种零散射线形粒子，其特征在于：所述的金属单元（3）在三对正交方向上均设有连接柱（4）。
4.根据权利要求3所述的一种零散射线形粒子，其特征在于：所述的连接柱（4）为圆柱、棱柱或者椭圆柱。
5.根据权利要求1或2所述的一种零散射线形粒子，其特征在于：所述的金属单元（3）为球体或多面体。
6.根据权利要求1或2所述的一种零散射线形粒子，其特征在于：所述的金属单元（3）和连接柱（4）的材料采用金、银、铜、铝或铁。
7.根据权利要求1所述的一种零散射线形粒子，其特征在于：所述的电介质（5）的材料采用印刷电路板。
8.由根据权利要求1～7任一所述粒子构成的一种电磁隐形材料，其特征在于：所述的电磁隐形材料由零散射线形粒子（1）按照金属结构（2）线性方向平行排列而成任意结构。
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