一种组合式电磁隐身装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电磁技术领域，具体公开了一种用边界拼接技术设计的外部电磁隐身装置。包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的由1b核心区域和2b互补介质区域两个部分组成的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；本发明专利技术由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成；采用本发明专利技术边界拼接技术，可以截取任何形状的外部隐身斗蓬，并在截面边界上拼接其他区域，构成本发明专利技术所公布的组合式电磁隐身装置。本发明专利技术可以大大减小隐身装置的尺寸，节约成本和空间。本发明专利技术的设计组合式电磁隐身装置的方法，也可以应用到任意的外部电磁隐身装置的设计中。

【技术实现步骤摘要】
一种组合式电磁隐身装置
本专利技术涉及电磁
，具体涉及一种组合式电磁隐身装置。
技术介绍
1968年，前苏联物理学家V.G.Veselago首次提出当介电常数ε和磁导率μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间将构成左手关系。由于自然界中没有发现这种介质，所以他的研究结果在上个世纪一直没有得到实验验证，更没有得到深入的研究。1996年，J.B.Pendry等人在微波频段内设计实现了等效介电常数为负的周期排列的金属细线(Rod)阵列结构；1999年，Pendry等又提出用开路环谐振器(SRRs：SplitRingResonators)实现等效磁导系数为负的介质。2000年，D.R.Smith等人根据Pendry的理论模型，将金属细线阵列和开路环谐振器阵列有规律地结合起来，制成了世界第一例等效ε和μ同时为负的人工介质。2001年，他们将这一人工介质，印制在电路板上，实现了X波段的异向介质，并通过著名的“棱镜实验”，观察到了光线的负折射现象，首次从实验上证明了异向介质的存在。近年来，以异向介质为代表的新型人工电磁材料成为国际上一个研究的热点，这种人工材料具有奇特的电磁特性。其中英文名称有很多，左手介质(LHM：Left-HandedMaterial)；后向波介质(BWmedium：Backward-Wavemedium)，双负介质(DNG：Double-Negativemedia)；负折射率介质(NRI：NegativeRefractiveIndexMaterial)；人工复合材料(CMM：CompositeMetamaterial)等，美国麻省理工学院孔金瓯(J.A.Kong)教授详细研究了电磁波在这类介质中的特性，建议其名称为异向介质(Metamaterials)，国内学者称为超颖材料，以突出电磁波在这种介质中传播时所表现出的不同于传统介质的各种逆向与奇异特性。随着超颖材料研究的不断深入，完美隐形这一天方夜谭有可能变成有物理依据的事实。利用超颖材料实现完美隐形将成为新一代的隐形技术。隐形(隐身)技术也称低可探测技术，是通过降低目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。目前各国的隐身技术主要是使用各种吸波、透波材料实现对雷达的隐形。国内外的吸波材料还存在频带窄、效率低等缺点，使其应用范围受到一定的限制。传统的隐形技术并不能达到严格意义上的完美隐形。2006年7月，J.B.Pendry，D.Schurig和D.R.Smith在《Science》杂志提出将一个介质的介电常数和磁导率设计成空间的函数，我们可以控制电磁波在介质中的行进路径，这就是著名的“控制电磁场”理论。既然可以控制电磁波的传播路径，我们可以把介质作成空腔结构，当电磁波遇到这个介质时，会从介质的空腔周围绕过，而无法进入空腔内部，因此当有物体放置在这个空腔内部时，将不被外界观察到。同年D.R.Smith，J.B.Pendry等人基于人工电磁材料在微波频段设计，制作了二维圆柱形隐身斗篷，并进行了相应的实验验证。至此隐形斗篷不仅从理论上获得支持，在实验上也得到了证实。超颖材料为隐形斗篷的理论设计和实验实现提供了有力的保证.作为近年来的重大科技进展，隐形斗篷的理论研究和实验引起了很多科研工作者的关注.隐形斗篷目的是让电磁波传播的时候绕过一个特定的区域，即光线按照特定的路线进行曲线传播.光线的弯曲，除了可在由质量引起的弯曲空间中产生，也可以在非均匀电磁介质中得到，比如海市蜃楼就是源于非均匀空气层引起的光线弯曲。设计隐身斗篷时，人们可以根据对电磁波的具体调控需要来构建空间映射,然后寻找能够实现空间映射的坐标变换,再由坐标变换计算出变换媒质，电磁波在这样设计出的变换媒质中将会按照人们预先设定的方式进行传播。变换光学方法成功地解决了完美电磁隐身斗篷的理论设计问题。所谓变换光学，它从Minkowski形式的麦克斯韦方程出发,按照人们所想要的任意方式,通过坐标变换使电磁波和能量在空间中以变换空间所表示的方式传播。这个时候改变的不是原始的笛卡尔平直坐标系而是空间介质的参数ε和μ,这样,我们就能让电磁波按照我们所设想的方式传播。由于做了坐标变换,几乎在空间每一点的ε和μ都有独立的值,这种材料在自然界是得不到的,所以在很长一段时间内这仅仅是数学变换而没法在物理上实现。事实上,早在1961年,Dolin就曾提出过这样的设想。但是,随着超颖材料的出现,直到2006年,人们才看到变换光学成为现实的可能性。超颖材料拓宽了介电常数和磁导率的范围,甚至可以得到双负材料。目前世界上有多个研究小组开始致力于这方面的理论和实验研究。2007年A.Nicolet研究小组，根据J.B.Pendry的理论，并利用特殊的计算模型证明了当光以波形式传播时，近距离的物体也可以变得隐形。浙大小组，J.A.Kong等人从精确的电磁散射理论出发，对隐身斗篷的物理特性做了更细致的分析，研究了不同背景材料中(渐变介质，分层介质)圆柱斗篷的隐形特性。随后应用坐标变换，椭圆截面，正方形截面等不同形状斗篷分别被提出，这异向介质电磁传输特性及其在隐形斗篷应用的研究在一定程度上降低了斗篷结构的对称性。2008年，任意截面的电磁斗篷已有相关报道，这为电磁斗篷设计的灵活性提供了理论基础。然而这种电磁斗篷还存在一个问题，就是在电磁斗篷的内部会形成盲区，即外部的光不能穿透一个完美隐形的斗篷，物体也无法观察到外界。为了解决这个问题，上海交通大学与香港科技大学研究组合作，在2008年9月提出了反隐形斗篷理论，其原理是利用坐标变换设计出各向异性负折射率材料，且材料的阻抗与隐形斗篷的正折射率相匹配。当一件隐形斗篷让物体周围的光线弯曲的时候，接触到反隐形斗蓬的任何区域将让一些光线回到原来的状态，从而让它可见。通过让一层反隐形斗蓬材料与隐形斗篷接触，这可以让隐藏在电磁斗篷内的物体观察到外界。近期赖云等人将变换光学与补偿介质相结合，开辟了异向介质应用在隐形斗篷的新的分支。2008年10月，马红孺等人，利用异向介质的负折射和相位补偿特性，实现物体的超级散射，即散射截面大于物体本身的几何截面。2009年11月，来自香港科技大学的赖云，陈焕阳等人根据坐标变换和相位补偿理论，设计出一种新型的斗篷，称之为互补介质斗篷，给这个新的分支带来了重大突破。这种互补介质斗篷理论上能够隐藏一个三维物体，突破了一维的局限。并且使斗篷外的目标实现隐形，正由于目标在斗篷外，它弥补了在传统电磁斗篷中目标与周围环境隔绝的缺点，使用互补介质斗篷可以使目标观测到外界而不被外界所觉察，这开创了隐形的新思路。唯一不足的是，这种斗篷依赖隐藏目标材料和形状。斗篷和目标形成一体，如果目标改变了，斗篷也得做相应的改变。赖云等人提出的互补介质斗篷是一个横截面为圆形的分层圆柱形斗篷。如图1所示，图1(a)最中间的核心圆称为核心区域，是对整个变换空间的压缩，也是用去产生幻觉物体的区域。核心圆外的圆环是互补介质区域，镶嵌在此区域的镜像物体可以隐身外部空气区域的目标物体。如图1(b)所示，互补介质区域中所示的月牙形镜像物体可以隐身外部空气区域中的目标物体。但是这种圆柱形互补介质隐身斗篷的隐身不具有定向性，在隐身定向目标物体的情况下，这种斗篷只有一小部分区域起到了作用，而剩下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的部分核心区域1b和部分互补介质区域2b组成的横截面为扇形的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；所述组合式电磁隐身装置由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成，所述1a核心区域和1c核心区域是横截面为三角形的三棱柱，且1a和1c的几何尺寸相同；所述1a核心区域和1c核心区域对应相同的一个侧面分别与1b核心区域扇形柱的两侧面相接，且1a的角1和1c的角2与1b的2θ三个角的角度和为180°；所述2a互补介质区域和2c互补介质区域是横截面为三角形的三棱柱，且2a和2c的几何尺寸相同，2b互补介质区域为横截面是部分圆环的柱体，该环所对应的圆心角为2θ，环的内弧与1b核心区域扇形的弧相同且相接；所述2a互补介质区域和2c互补介质区域对应相同的一个侧面分别与2b互补介质区域的两个平面侧面相接，且2a的AD边对应的侧面和1a的AD边对应侧面相接，2c的A’D’侧面与和1c的A’D’侧面相接；2a截面的BD边与1a截面的OD边垂直；2c截面的B’D’边与1c截面的OD’边垂直；1a核心区域与2a互补介质区域拼接后组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，同样1c核心区域与2c互补介质区域拼接后也组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，由于1a与2a、1c与2c分别具有相同的几何尺寸，故其用相同的方式组合后的结构也具有相同的几何尺寸；1b核心区域与2b互补介质区域组合成一个中心角为2θ的扇形柱，1b核心区域的弧面与2b互补介质区域的内弧面重合拼接；所述组合式电磁隐身装置的横截面由三条直线段和一条圆弧线所围成。...

【技术特征摘要】
1.一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：包括从圆柱体互补介质隐身斗篷上截取的部分核心区域1b和部分互补介质区域2b组成的横截面为扇形的扇形柱，该扇形柱的横截面为夹角2θ的扇形，该扇形柱的弯曲弧面为圆柱体互补介质隐身斗篷的侧面的一部分；所述组合式电磁隐身装置由1a，1b，1c三个核心区域和2a、2b、2c三个互补介质区域组成，所述1a核心区域和1c核心区域是横截面为三角形的三棱柱，且1a和1c的几何尺寸相同；所述1a核心区域和1c核心区域长度相同的两个侧面AO和A’O分别与1b核心区域扇形柱的两侧面相接，1a区域AO面与DO面的夹角为角1；1c区域A’O面与D’O面的夹角为角2；1b区域AO面与A’O面的夹角为角2θ；角1、角2和角2θ这三个角的角度和为180°；所述2a互补介质区域和2c互补介质区域是横截面为三角形的三棱柱，且2a和2c的几何尺寸相同，2b互补介质区域为横截面是部分圆环的柱体，该环所对应的圆心角为2θ，环的内弧与1b核心区域扇形的弧相同且相接；所述2a互补介质区域的AB面与2b互补介质区域的AB面重合相接,2c互补介质区域的A’B’面与2b互补介质区域的A’B’面重合相接；2a互补介质区域的AD面与1a核心区域的AD面重合相接,2c互补介质区域的A’D’面与1c核心区域的A’D’面重合相接；2a互补介质区域的BD面与1a核心区域的OD面垂直；2c互补介质区域的B’D’面与1c核心区域的OD’面垂直；1a核心区域与2a互补介质区域拼接后组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，同样1c核心区域与2c互补介质区域拼接后也组成了一个横截面为直角三角形的棱柱，由于1a与2a、1c与2c分别具有相同的几何尺寸，故其用相同的方式组合后的结构也具有相同的几何尺寸；1b核心区域与2b互补介质区域组合成一个中心角为2θ的扇形柱，1b核心区域的弧面与2b互补介质区域的内弧面重合拼接；所述组合式电磁隐身装置的横截面由三条直线段和一条圆弧线所围成。2.如权利要求1所述的一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：所述的各个核心区域以及互补介质区域的材料由六个具有不同材料参数的，具有各向异性性质的超颖材料制成，所述组合式电磁隐身装置沿轴线方向上具有相同的材料参数。3.如权利要求2所述的一种组合式电磁隐身装置，其特征在于：所述的各个核心区域以及互补介质区域具体的材料参数利用坐标变换的原理计算得到，对于1b核心区域与2b互补介质区域，在极坐标系下表示其坐标变换，对于1a、1c核心区域以及2a、2c互补介质区域，均在直角坐标系下表示；1a、1b、1c核心区域以及2a、2b、2c互补介质区域的材料参数可以用如下式(1)和式(2)求得：ε'＝ΛεΛT/det(Λ)(1)μ'＝ΛμΛT/det(Λ)(2)其中ε和μ是介质空间的介电常数和磁导率，ε'和μ'分别是所计算区域的介电常数和磁导率，T代表给矩阵做转置运算，det为求矩阵的绝对值，Λ是雅克比矩阵，如式(3)所示：其中p’是变换后的坐标系，p是原空间的坐标系，i代表矩阵中的行，j代表矩阵中的列；若知道坐标变化先后所对应区域之间的坐标变换方程，利用式(3)可以求得雅克比矩阵，将雅克比矩阵代入式(1)和式(2)就可以计算得到对应区域的介电常数和磁导率；1a核心区域材料参数的具体计算过程：设区域4a压缩到1a的变换在直角坐标系下的坐标变换方程表示为：x'＝ax+by+cy'＝dx+ey+f其中，x，y...

【专利技术属性】
技术研发人员：史琰，唐薇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61