[发明专利]一种全介质零散射颗粒及其构成的电磁隐形材料

说明书

本发明公开了一种全介质零散射颗粒及其构成的电磁隐形材料。颗粒中心为微波频段高介电常数、低损耗的高介电陶瓷，高介电陶瓷呈正方体形状，正方体形状的高介电陶瓷外面包裹有低介电常数、低损耗电介质，整体构成实心正方体体结构的零散射固体颗粒；同时利用该全介质零散射颗粒周期排列来构造等效均匀且三维各向同性的具有电磁隐形作用的人工材料。本发明结构简单加工方便，能针对不同应用加工成任意形状的材料，实例仿真验证在工作频率上得到了几乎完美隐形的电磁特性；同时可直接通过结构尺寸缩放拓展到所需的工作频段，且基于相同理论还可以将这种完美隐形特性拓展到声波等其他领域。

技术领域

本发明涉及一种电磁隐形领域的全介质零散射颗粒，尤其是涉及电磁隐形领域的一种在自由空间中任意角度完美匹配透明的由零散射颗粒构成的全介质电磁隐形材料。

背景技术

在物理学中，媒质(也称介质)一般指代物理过程进行的载体，自然界中存在的媒质多数都是由原子和分子组成的，在电磁场的作用下，媒质中的束缚电子产生的电偶极子以及分子电流形成的磁偶极子会受到洛仑兹力的作用，呈现出带电粒子位移、电磁偶极矩转向等多种形式的运动，从而导致电磁极化(Polarization)现象的发生。自由空间中，电磁场的规律由麦克斯韦方程组完全描述，而本构关系是描述媒质与电磁波相互作用的电磁学方程，不同媒质在不同频率电磁波作用下产生的不同的电磁响应表示为其本构参数的频率色散。对于给定的媒质，其本构参数由四个电磁参数组成，分别反应了媒质电极化、磁极化、磁交叉极化和电交叉极化的强度。介电常数和磁导率作为两个非常重要的本构参数分别表征了媒质在电磁波作用下的电极化响应和磁极化响应，其频率色散曲线可以用Drude-Lorentz模型等叠加而成。对于非均匀媒质，其本构参数除了具有频率色散之外，还具有空间色散。对于由亚波长单元构成的非均匀媒质，可引入“等效媒质”(Effective medium)的概念。等效媒质意味着在分析其宏观状态下的电磁特性时可以引起“等效”的与空间位置无关的本构参数进行描述。人工媒质的物理本质是采用人工设计的亚波长谐振单元，在空间上的周期排列，利用电磁场激发而产生的谐振来模拟自然媒质中由于原子的振动引起的电磁极化，使得其等效介电常数和磁导率在所需的频段内具有特定的频率色散，以实现对等效电磁参数的人工调控。

电磁波在通过传输媒质时可能会发生折射，衍射，反射、散射及吸收等等，传输媒质的本构参数决定了电磁波在其中传输时会出现不同的结果。人之所以能够看到自然物体，是由于电磁波在这些自然物体上发生了反射和折射，在自然界中，几乎所有的自然物体的介电常数和磁导率与自由空间都不相同，那么电磁波在通过这种物体时，就不可避免的出现折射，反射等现象，观察者就能够在各个角度都可以看到这些物体。如果有媒质的介电常数和磁导率与自由空间完全一样，电磁波在通过这种媒质时，就和通过自由空间完全相同，也就是说不会出现反射，折射，衍射等现象，那么在各个角度，观察者都不能看到这些物体，这种媒质就实现了自我隐形。

人工媒质的概念在19世纪末第一次被提出，随后人工媒质所具有的特殊的电磁特性成为了科学家关注的焦点，后来人们发现可以通过调整谐振频率来控制这些人工媒质的等效相对介电常数和磁导率，这种设计思想，使得实现人工媒质的自我隐形成为可能。利用这种思想，隐身衣的设计也应运而生，隐身衣是通过设计特殊结构的空间色散特性，改变物体表面的折射率，引导入射到此物体上的电磁波的传播路径发生改变，让光线“转弯”绕过物体按原方向传播，从而使物体被隐藏掉。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的问题，本发明的目的在于提供一种全介质零散射颗粒的构造方法及其构成的电磁隐形材料的应用。利用亚波长尺寸的复合结构在某些频带内具有大幅可调的等效相对磁导率和等效相对介电常数的特性，通过适当调整结构的形状和尺寸，将其等效的相对介电常数和相对磁导率磁导率人工调节到同时与自由空间的相对介电常数和相对磁导率的值对应相等，使得该单元与自由空间完美匹配以实现具有零散射的颗粒。同时利用该结构周期排列来构造等效均匀且三维各向同性的具有电磁隐形作用的人工材料。该材料由于结构的对称性，可以实现具有任意结构的自我隐形，使得其在军事和民用等领域具有很广阔的应用前景。