[发明专利]全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法

说明书

本发明属于超表面隐身技术领域，具体为基于几何相位和传输相位的全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法。本发明地毯隐身衣为任意三维结构，由多块平面超表面拼接组成；平面超表面由若干超表面单元周期延拓组成；每个超表面单元包括上层柔性介质板、中层工程树脂和下层柔性介质板组成；上层柔性介质板一面包含一个金属圆弧电谐振器，另一面全腐蚀，下层柔性介质板一面全金属，另一面全腐蚀；圆弧电谐振器结构参数、方位角随单元位置不同而改变，通过全极化超表面地毯隐身衣方法设计；本发明地毯隐身衣在不同极化角的线极化波、圆极化波或椭圆极化波激发下均表现出优越的电磁隐身性能，并具有极化任意、形状任意、隐身特性优异和容易组装等优势。

技术领域

本发明属于超表面隐身技术领域，具体涉及能够实现任意极化电磁波探测下均能实现完美隐身特性的超表面地毯隐身衣及其设计方法。

背景技术

几个世纪以来，隐身一直是人类的梦想，直到变换光学理论的提出和超材料的出现才得以梦想成真。基于上述两个强大工具，并通过精确调整各向异性和非均匀块状材料的本构参数，具有隐藏目标周围光/电磁波的完美隐身才成为可能。虽然变换光学和超材料组合策略是实现隐身的迷人途径，但庞大的体积和奇异的材料参数使其在实际设计中往往不易实现。该问题后来通过基于能量耦合网络的传输线隐身斗篷和基于散射相消技术的等离子隐身斗篷得到了一定程度缓解，其中散射相消技术是利用薄超材料的反相相位来抵消由隐身目标辐射的散射波。然而上述方法中前者隐身物体的尺寸非常受限，而后者完美隐身性能的带宽非常窄。

幸运的是，超表面的出现为我们提供了很大的自由度来操控散射电磁波的幅度、相位和极化，产生了许多令人振奋的应用。超表面研究领域的重要进展使得地毯隐身衣研究取得了快速突破。利用精心设计的超表面隐身斗篷将目标包裹起来，可以恢复镜像散射波的相位和幅度，从而模仿大地平面镜像散射，就好像真实目标不存在一样。最近，可调隐身斗篷和智能隐身斗篷被研发出来，使该领域向前迈出了一大步。然而，实现具有确定性的全极化隐形斗篷非常迫切，但目前仍然是科学幻想。这是因为任何特定人造材料都只会在特定极化的电磁波照射下产生特定电磁响应，使其在其它极化波照射下仍可被发现。传统结构方法一般通过精心选择具有旋转对称性的超表面单元，但仅能提供非常有限的极化适应性(通常限于2个极化)，同时极大限制了自由度更大的各向异性设计。迄今为止，依然没有公开文献报道有效的方法来解决这个长期困扰人们的棘手难题。

我们打破常规，提出一种基于各向异性超表面的确定性全极化隐身方法，旨在完全解决这一基本科学问题，是现实隐身应用领域的一个里程碑。无论入射电磁波的初始极化是线极化还是圆极化，照射到本发明所设计的超表面地毯隐身衣之后，均精确地散射到预测镜像方向，与地面散射效果一致。通过巧妙地将左旋(σ+)和右旋(σ-)状态下隐身衣需要的相位同时集成于超表面，可以实现全极化工作。因此，我们提出的全极化方法是一种新兴技术，与以往报道的基于二重、四重旋转对称性实现极化不敏感的方法机制完全不同。此外，三维(3D)地毯隐身衣通过将柔性超表面与可制造任意复杂结构的3D打印技术相结合而实现，具有隐身目标形状任意、全极化工作和隐身效果好等优势。

发明内容

本发明目的在于提出一种在任意极化下均能有效工作的全极化超表面地毯隐身衣及其设计方法，以解决长期困扰隐身应用的现实基础问题。

本发明设计的全极化超表面地毯隐身衣，置于地面时，无论入射电磁波的初始极化是线极化还是圆极化，照射到本发明隐身衣后，电磁波始终被精确地散射到预期方向，超表面隐身衣的散射特征与地面相同，就像地面上没有放置任何目标一样，这时放置于地毯隐身衣内部的任何目标均可被完美隐身，如图1(a)所示。

本发明提供的全极化超表面地毯隐身衣设计方法，具体步骤如下。

第一步：确定三维隐身衣的几何形状，并将三维隐身衣按照超表面单元周期离散化，然后基于射线追踪理论计算隐身衣的空间相位分布