[發明專利]全極化超表面地毯隱身衣及其設計方法

有效

• 申請號: 202010785210.1
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111834753B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 許河秀;王彥朝;王朝輝;彭清;王明照;王少杰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;F41H3/00;G06F30/10;G06F30/20;G06F113/12
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于超表面隱身技術領域，具體為基于幾何相位和傳輸相位的全極化超表面地毯隱身衣及其設計方法。本發明地毯隱身衣為任意三維結構，由多塊平面超表面拼接組成；平面超表面由若干超表面單元周期延拓組成；每個超表面單元包括上層柔性介質板、中層工程樹脂和下層柔性介質板組成；上層柔性介質板一面包含一個金屬圓弧電諧振器，另一面全腐蝕，下層柔性介質板一面全金屬，另一面全腐蝕；圓弧電諧振器結構參數、方位角隨單元位置不同而改變，通過全極化超表面地毯隱身衣方法設計；本發明地毯隱身衣在不同極化角的線極化波、圓極化波或橢圓極化波激發下均表現出優越的電磁隱身性能，并具有極化任意、形狀任意、隱身特性優異和容易組裝等優勢。

技術領域

本發明屬于超表面隱身技術領域，具體涉及能夠實現任意極化電磁波探測下均能實現完美隱身特性的超表面地毯隱身衣及其設計方法。

背景技術

幾個世紀以來，隱身一直是人類的夢想，直到變換光學理論的提出和超材料的出現才得以夢想成真。基于上述兩個強大工具，并通過精確調整各向異性和非均勻塊狀材料的本構參數，具有隱藏目標周圍光/電磁波的完美隱身才成為可能。雖然變換光學和超材料組合策略是實現隱身的迷人途徑，但龐大的體積和奇異的材料參數使其在實際設計中往往不易實現。該問題后來通過基于能量耦合網絡的傳輸線隱身斗篷和基于散射相消技術的等離子隱身斗篷得到了一定程度緩解，其中散射相消技術是利用薄超材料的反相相位來抵消由隱身目標輻射的散射波。然而上述方法中前者隱身物體的尺寸非常受限，而后者完美隱身性能的帶寬非常窄。

幸運的是，超表面的出現為我們提供了很大的自由度來操控散射電磁波的幅度、相位和極化，產生了許多令人振奮的應用。超表面研究領域的重要進展使得地毯隱身衣研究取得了快速突破。利用精心設計的超表面隱身斗篷將目標包裹起來，可以恢復鏡像散射波的相位和幅度，從而模仿大地平面鏡像散射，就好像真實目標不存在一樣。最近，可調隱身斗篷和智能隱身斗篷被研發出來，使該領域向前邁出了一大步。然而，實現具有確定性的全極化隱形斗篷非常迫切，但目前仍然是科學幻想。這是因為任何特定人造材料都只會在特定極化的電磁波照射下產生特定電磁響應，使其在其它極化波照射下仍可被發現。傳統結構方法一般通過精心選擇具有旋轉對稱性的超表面單元，但僅能提供非常有限的極化適應性(通常限于2個極化)，同時極大限制了自由度更大的各向異性設計。迄今為止，依然沒有公開文獻報道有效的方法來解決這個長期困擾人們的棘手難題。

我們打破常規，提出一種基于各向異性超表面的確定性全極化隱身方法，旨在完全解決這一基本科學問題，是現實隱身應用領域的一個里程碑。無論入射電磁波的初始極化是線極化還是圓極化，照射到本發明所設計的超表面地毯隱身衣之后，均精確地散射到預測鏡像方向，與地面散射效果一致。通過巧妙地將左旋(σ+)和右旋(σ-)狀態下隱身衣需要的相位同時集成于超表面，可以實現全極化工作。因此，我們提出的全極化方法是一種新興技術，與以往報道的基于二重、四重旋轉對稱性實現極化不敏感的方法機制完全不同。此外，三維(3D)地毯隱身衣通過將柔性超表面與可制造任意復雜結構的3D打印技術相結合而實現，具有隱身目標形狀任意、全極化工作和隱身效果好等優勢。

發明內容

本發明目的在于提出一種在任意極化下均能有效工作的全極化超表面地毯隱身衣及其設計方法，以解決長期困擾隱身應用的現實基礎問題。

本發明設計的全極化超表面地毯隱身衣，置于地面時，無論入射電磁波的初始極化是線極化還是圓極化，照射到本發明隱身衣后，電磁波始終被精確地散射到預期方向，超表面隱身衣的散射特征與地面相同，就像地面上沒有放置任何目標一樣，這時放置于地毯隱身衣內部的任何目標均可被完美隱身，如圖1(a)所示。

本發明提供的全極化超表面地毯隱身衣設計方法，具體步驟如下。

第一步：確定三維隱身衣的幾何形狀，并將三維隱身衣按照超表面單元周期離散化，然后基于射線追蹤理論計算隱身衣的空間相位分布