一種零散射線形粒子及其構成的電磁隱形材料的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種零散射線形粒子及其構成的電磁隱形材料。粒子中心為金屬結構，金屬結構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，構成實心柱體結構的零散射線形粒子，其中金屬單元直線排列的排列方向、電介質柱體的高度方向與工作時入射電磁波的電場極化方向相同。本發明結構簡單，加工方便，可以針對不同應用加工成任意形狀的材料或者結構，實例仿真驗證在工作頻率上得到了趨向于零的散射寬度；可直接通過結構尺寸縮放拓展到射頻、太赫茲乃至光波等各個頻段，被廣泛用于隱身材料的相關應用領域。
【專利說明】一種零散射線形粒子及其構成的電磁隱形材料
【技術領域】
[0001]本發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成的電磁隱形材料。
【背景技術】
[0002]電磁波在傳輸媒質中的傳播、聚焦以及散射都是由傳輸媒質的電磁特性決定的，而媒質的電磁特性通常可以用介電常數和磁導率這兩個電磁參數來描述。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和/或磁導率，因此當這些物體放置在自由空間中時，入射到上面的電磁波會不可避免地出現反射和折射。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，他的介電常數和磁導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上時均不會出現反射和折射，任何角度的觀察者都不能看到這個實際存在的可觸摸到的固體或者液體媒質，即這種媒質可以實現自我隱形。
[0003]近十多年來經歷了快速發展的人工電磁媒質研究，產生了各種等效介電常數和磁導率可隨意控制的具有特殊電磁特性的人工電磁材料。這種特殊人工復合材料的設計理論同時也使得上述這種理想的具有自我隱形特性的媒質的實現成為了可能。與這個概念相關的隱身衣的研究曾經產生了很大的轟動，它是通過構造某個具有空間色散特性的結構來控制入射電磁波在結構里的傳播路徑，使得電磁波繞過某個區域，在不改變外面總場的條件下實現某個區域內物體的隱身。然而，這種結構并不能稱為一種媒質，因為它的電磁參數具有很大的空間色散性，且結構都是固定的，同時它的實現相對復雜。
【發明內容】
[0004]為了解決【背景技術】中存在的問題，本發明的目的在于提供一種零散射線形粒子及其構成的電磁隱形材料，利用亞波長尺寸的金屬電介質復合結構單元在某些頻帶內具有大幅可調的等效相對介電常數和磁導率的特性，適當調節金屬電介質復合結構單元的形狀及尺寸，使其等效介電常數和磁導率分別與自由空間的值對應相等，從而實現具有零散射寬度的零散射線形粒子，并以此構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，使得用其構造的任意形狀的結構能實現自我隱形，將在雷達天線罩、電磁窗口等軍事和民用領域具有廣闊的應用前景。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括:
[0006]粒子中心為金屬結構，金屬結構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,構成實心柱體結構的零散射線形粒子，其中金屬單元沿直線排列的排列方向、電介質柱體的高度方向與工作時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正交方向上均設有連接柱。
[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構線性方向平行排列而成任意結構。
[0014]本發明具有的有益效果是:
[0015]I)結構簡單，實現方便，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、任意形狀的三維離散或實體結構，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，經過實例仿真驗證，在工作頻率上的散射寬度低達0.4 X 10_3倍空間寬度。
[0017]3)折射率穩定，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構尺寸使其工作在微波、射頻、太赫茲以及光波等各個頻段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明實施例1的結構示意圖。
[0020]圖2是本發明實施例1仿真得到的散射寬度。
[0021]圖3是本發明實施例1粒子構成的三維雙平板型電磁隱身材料的示意圖。
[0022]圖4是本發明實施例2的結構示意圖。
[0023]圖5是本發明實施例2仿真得到的散射寬度。
[0024]圖中:1、零散射線形粒子,2、金屬結構,3、金屬單元,4、連接柱,5、電介質。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例子，進一步闡明本發明。
[0026]本發明的零散射線形粒子整體呈柱體結構，粒子中心為金屬結構2，金屬結構2包括呈直線周期排列的金屬單元3，金屬單元3數量為至少兩個，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5，構成實心柱體結構的零散射線形粒子1，其中金屬單元3沿直線排列的的排列方向、電介質5柱體的高度方向與工作時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，優選的小于工作波長的1/4。
[0028]優選的金屬單元3在立體的三對相互垂直的正交方向均設有連接柱4。
[0029]優選的連接柱4為圓柱、棱柱或者橢圓柱。
[0030]優選的金屬單元3為球體或多面體。
[0031]優選的金屬單元3和連接柱4的材料采用金、銀、銅、鋁或鐵。
[0032]優選的電介質5的材料采用聚砜、特氟龍、羅杰斯板、印刷電路板或FR4。
[0033]本發明的電磁隱形材料由零散射線形粒子I按照金屬結構2線性方向平行排列而成任意結構，可以為任何形狀的離散或者實體結構。
[0034]本發明的原理如下:
[0035]由于上述零散射線形粒子的軸截面為亞波長尺寸，其電磁參數可以用等效的相對介電常數ε (ω)和相對磁導率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)為該等效媒質的相對介電常數的實部，ε 2 ( ω )為該等效媒質相對介電常數的虛部(這部分的大小決定了材料的電損耗大小，ε 2(ω)越大表示媒質的電損耗越大)。μ Jco)為該等效媒質的相對磁導率的實部，μ 2(ω)為該等效媒質相對磁導率的虛部(這部分的大小決定了媒質的磁損耗大小，μ2(ω)越大表示媒質的磁損耗越大)。上述的ω為入射電磁波的角頻率，i為虛數單位。
[0039]當入射電磁波的電場沿著z方向極化時,線形粒子內部連續的連接柱與電介質混合結構會在微波頻段內產生一個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層的尺寸和電磁參數決定。同時周期排列的金屬顆粒也會在相應的頻段產生電諧振。上述兩個結構特性使得該線形粒子的等效介電常數色散符合具有兩個諧振的Drude-Lorentz模型。其中第一個諧振為Drude模型，對應的諧振頻率為0，是由連續的連接柱產生的。第二個諧振為Lorentz模型，對應的諧振是由周期排列的正金屬顆粒產生的。兩個諧振頻率相離很遠，其相對介電常數的實部ε ,(ω)會在兩個諧振頻率中間的某個頻率上等于1，同時具有很小的虛部ε 2 ( ω )。由于整個結構中不存在磁諧振結構，根據混合媒質理論，其等效磁導率μ (ω)大小可以通過改變金屬單元的顆粒尺寸進行調節。
[0040]適當調節金屬單元和連接柱的尺寸即可以實現在某個所需頻率上其對應的相對介電常數和磁導率均等于1，從而實現零散射。根據疊加原理，當這種亞波長尺寸的線形粒子無散射時，其任意多個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造出任意形狀的電大尺寸等效媒質或者結構，使其具有完美的自我隱形特性。
[0041]本發明的實施例如下:
[0042]實施例1
[0043]零散射線形粒子實例I的尺寸及組成媒質如圖1所示。呈正方柱結構的零散射線形粒子的軸截面是邊長a為7mm的正方形,金屬結構為銅，電導率為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面上突起的細小方柱型連接柱的軸截面邊長d為0.6mm,長度為1.5mm。本實例中選擇的電介質為聚砜(Polysulfone)，相對介電常數為2.97，損耗正切為0.0013，相對磁導率為I。對應的零散射工作頻率為10GHz。仿真結果如圖2所示，在工作頻率上，電磁波垂直入射時，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。同時根據反演算法得到的該等效媒質的折射率為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，由于其具有三維對稱性，所示的隱形材料可以對任意極化的TE波工作。
[0045]本實例的工作頻率為10GHz，如果要工作在其他頻率，只需要根據工作波長比例調整金屬單元的尺寸。
[0046]實施例2
[0047]零散射線形粒子實例2的尺寸及組成媒質如圖4所示。呈正方柱結構的零散射線形粒子的軸截面是邊長a為7mm的正方形,金屬結構為銅，電導率為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_。本實例中選擇的電介質仍為聚砜(Polysulfone)，對應的零散射工作頻率仍為10GHz。仿真結果如圖5所示，在工作頻率上，電磁波垂直入射時，該零散射線形粒子的散射寬度僅為其空間尺寸的0.45XlOH
[0048]本實例的工作頻率仍為10GHz，如果要工作在其他頻率，只需要根據工作波長比例調整金屬單元的尺寸。
[0049]具體實施中，本發明的金屬結構的金屬單元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電特性幾乎沒有差別，對最終效果幾乎沒有影響，因此金、銀、鋁或鐵均可用作金屬結構的材料進行替換。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電磁波的響應相同，對最終效果幾乎沒有影響，因此可在具體實施中隨意替換。
[0050]需要注意的是本實施例子僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明后，相關領域的技術人員對本發明所做的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求限定的范圍。
【權利要求】
1.一種零散射線形粒子，其特征在于:粒子中心為金屬結構(2)，金屬結構(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(5)，構成實心柱體結構的零散射線形粒子(I )，其中金屬單元(3)沿直線排列的排列方向、電介質(5)柱體的高度方向與工作時入射電磁波的電場極化方向相同。
2.根據權利要求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.根據權利要求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)在三對正交方向上均設有連接柱(4)。
4.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的一種零散射線形粒子，其特征在于:所述的電介質(5)的材料采用聚砜、羅杰斯板、印刷電路板、特氟龍或FR4。
8.由根據權利要求1?7任一所述粒子構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)按照金屬結構(2)線性方向平行排列而成任意結構。
【文檔編號】H01Q17/00GK104167610SQ201410344098
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】葉德信, 朱忠博, 皇甫江濤, 冉立新 申請人:浙江大學, 西安空間無線電技術研究所