本發(fā)明屬于電磁波隱身領(lǐng)域，具體涉及一種全極化的幅度和相位保持的超表面隱身衣。

背景技術(shù)：
從中國名著西游記到希臘的神話故事，以至現(xiàn)在的哈利波特，人們對于隱身的美好幻想從未停歇。近些年來，隨著異向介質(zhì)的發(fā)展，電磁波隱身已經(jīng)不再只是美好的幻想。電磁波是指由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以周期波動的形式進行能量和動量傳遞的一種波。電磁波譜包括電磁輻射所有可能的頻率，電磁波譜頻率從低到高分別為無線電波、微波、紅外光、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。一般地，電磁波照射到物體上，不能完全地傳播到物體后面，而會在物體上發(fā)生散射。雷達根據(jù)反射回來的電磁波來測定目標(biāo)的方向、距離、高度等。傳統(tǒng)的隱身技術(shù)是通過在結(jié)構(gòu)表面涂敷各種功能材料，從而達到損耗或散射雷達波以及抑制目標(biāo)表面紅外輻射強度的目的。但是這些隱身涂敷材料是基于吸波原理來實現(xiàn)隱身的，僅適用于單基站雷達隱身，而不能對雙基站雷達隱身，因此很容易就被雙基站雷達發(fā)現(xiàn)，無法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完美隱身。在光波段，現(xiàn)有的隱身技術(shù)還是軍事迷彩等，然后，隨著背景環(huán)境的改變，這種技術(shù)將不再具有隱身效果，因此這只是一種偽裝技術(shù)，而不是真正地從視線中消失。另有一種隱身方法，通過光纖，將光線從一側(cè)引導(dǎo)到另一側(cè)，從而繞過中間的物體，但這樣的裝置對光纖的工藝要求較高，并且需要數(shù)量龐大的光纖，而且只能實現(xiàn)一個方向上的隱身。因此，這些隱身方法都不是一般人所能接收的理想隱身方法。理想的隱身衣原理不是吸波而是改變波的傳播路線，電磁波繞過被隱身的物體，并在物體的另一邊按照原來的路徑傳播，電磁波不會被物體擋住，從而使物體后面不會呈現(xiàn)出陰影區(qū)域。這種情況下，電磁波照射到物體上，相當(dāng)于該物體不存在，也即物體得到了完美的隱身。目前主要有兩種電磁波隱身的方法，其一是基于散射相消原理；等離子材料覆蓋在介質(zhì)物體上，激發(fā)的偶極子將會彼此相抵消，散射場明顯降低，從而實現(xiàn)內(nèi)部物體隱身。在微波段，可用異向介質(zhì)來實現(xiàn)此隱身功能。但是，當(dāng)被隱藏物體的尺寸增大時，需要更高的偶極子模式，這在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。另一種方法是Pendry提出的變換光學(xué)法；利用麥克斯韋方程組的度量不變性和坐標(biāo)變換法，在實空間中創(chuàng)造一個“洞”，光線可以平整地繞過這個“洞”。在實驗驗證中，他們采用一種異向介質(zhì)(Metamaterial)材料來實現(xiàn)：采用金屬圖案陣列構(gòu)造出等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率參數(shù)隨空間變化的、具有各向異性特性的介質(zhì)，并使這些等效介質(zhì)在柱坐標(biāo)系中按照一定要求放置，來實現(xiàn)圓柱形的隱身器件。但是這種采用金屬圖案陣列構(gòu)造隱身器件的方法，構(gòu)造方法比較復(fù)雜，并且由于金屬在光頻段的損耗很大，以及尺度變小后加工困難，上述方法基本上只能用于微波或遠紅外頻段。由于Pendry等提出的隱身器件設(shè)計方法對材料的要求非常苛刻，實現(xiàn)起來很困難，價格昂貴，同時這種材料由于色散很劇烈，只能工作在很窄的一個頻率區(qū)間，而且采用這種方法實現(xiàn)的隱身器件只對特定極化的電磁波有效，不能實現(xiàn)對任意極化電磁波的隱身?？偠灾?，現(xiàn)有技術(shù)上的上述隱身方法的局限性主要有：1.大多數(shù)傳統(tǒng)隱身衣只能應(yīng)用于特定極化電磁波，如果要實現(xiàn)傳統(tǒng)體隱身衣的全極化，需要控制六個電磁參數(shù)，即介電常數(shù)的三個空間分量和磁導(dǎo)率的三個空間分量，這使得實現(xiàn)難度非常大。2.大多數(shù)隱身衣均采用光程近似，即保持參數(shù)的折射率不變，改變阻抗，以便利用現(xiàn)有的材料實現(xiàn)，但是如果阻抗不匹配會造成很強的反射，被隱身物體仍然可以被探測到。3.已有的全極化隱身衣均采用準(zhǔn)保角變換方法設(shè)計，但是這種方法會使反射波引入一個側(cè)向偏移，所以物體并沒有得到完美隱身。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種三維全極化的超表面隱身衣，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的全部或部分缺陷。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明一種三維全極化的超表面隱身衣由相移諧振單元無縫拼接而成；所述相移諧振單元由上層介質(zhì)、中間層介質(zhì)和下層介質(zhì)構(gòu)成，相移諧振單元的每條輪廓線尺寸均小于工作電磁波波長；上層介質(zhì)為具有全極化功能的諧振結(jié)構(gòu)，上層介質(zhì)固定在中間層介質(zhì)的上表面，中間層介質(zhì)是非金屬層，下層介質(zhì)是金屬層，下層介質(zhì)的上表面和中間層介質(zhì)的下表面緊貼且完全吻合；每個相移諧振單元的改變的反射波相位滿足式(1)所示的條件：δ＝180°-2kbhcos(θ)(1)式(1)中，δ為改變的反射波相位，θ為隱身衣的工作電磁波與水平面夾角的余角，h為相移諧振單元的幾何中心距離地面的高度，kb為隱身衣的工作電磁波波數(shù)。進一步地，本發(fā)明所述具有全極化功能的諧振結(jié)構(gòu)為能夠?qū)Σ煌瑯O化電磁波激發(fā)相同諧振的金屬圖案或電介質(zhì)圖案。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明超表面隱身衣簡易輕便，經(jīng)濟實惠，厚度小于工作電磁波波長，屬于超薄型，可以隱身任意形狀和尺寸的物體。相移諧振單元設(shè)計靈活，與被隱身物體的大小形狀無關(guān)?，F(xiàn)有技術(shù)中，如果要實現(xiàn)傳統(tǒng)體隱身衣的全極化，需要控制6個電磁參數(shù)，即介電常數(shù)的三個空間分量和磁導(dǎo)率的三個空間分量，這使得實現(xiàn)難度非常大；而本發(fā)明超表面隱身衣采用的相移諧振單元對電磁波的極化方向不敏感，克服了只能應(yīng)用于特定極化電磁波隱身衣的缺點。與傳統(tǒng)的基于擬共形映射的地毯式隱身衣相比，本發(fā)明超表面隱身衣的每個相移諧振單元的改變的反射波相位滿足式(1)所示的條件，不會產(chǎn)生不必要的反射波橫向偏移。與基于光程近似的地毯式隱身衣相比，本發(fā)明超表面隱身衣能夠完美恢復(fù)不同極化波的反射波幅度和相位。本發(fā)明超表面隱身衣適用于所有電磁波頻段，尤其在微波段具有非常好的隱身效果，并能實現(xiàn)在任意工作電磁波入射角度下的隱身。附圖說明圖1是下層介質(zhì)、中間層介質(zhì)均為立方體的相移諧振單元的示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是諧振結(jié)構(gòu)為雙工字型金屬圖案的相移諧振單元的俯視圖；圖4是下層介質(zhì)、中間層介質(zhì)均為正六棱柱的相移諧振單元的示意圖；圖5是本發(fā)明呈凸面狀的超表面隱身衣的示意圖；圖6是本發(fā)明呈平面狀的超表面隱身衣的俯視圖；圖7是本發(fā)明超表面隱身衣的原理圖；圖8是電磁波入射到金屬圓臺上的反射示意圖；圖9是電磁波入射到圖5所示的電磁波隱身衣時的隱身效果示意圖；圖中，1.表示相移諧振單元的下層介質(zhì)；2.表示相移諧振單元的中間層介質(zhì)；3.表示相移諧振單元的上層介質(zhì)；4.表示呈圓環(huán)型金屬圖案的諧振結(jié)構(gòu)；5.表示中間層介質(zhì)的上表面；6.表示呈雙工字型金屬圖案的諧振結(jié)構(gòu)；7.表示正六邊形相移諧振單元的中間層介質(zhì)的上表面；8a-8e.表示相移諧振單元的中間層介質(zhì)；9a-9e.表示刻蝕在中間層介質(zhì)上表面的圓環(huán)型金屬圖案；10a-10e.表示相移諧振單元的中間層介質(zhì)；11a-11e.表示刻蝕在10a-10e的中間層介質(zhì)上表面的圓環(huán)型金屬圖案；12.表示放置被隱身物體的底面；13.表示超表面隱身衣的其中一個相移諧振單元；14.表示工作電磁波入射波束；15a-15g.表示工作電磁波入射到金屬圓臺側(cè)面和上表面上的反射波束；16.金屬圓臺；17a-17g.表示工作電磁波入射到有電磁波隱身衣包圍的金屬圓臺時的反射波束。具體實施方式本發(fā)明所指的電磁波頻段包括電磁輻射所有可能的頻率。電磁波頻段從低到高分別列為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。電磁波頻段是無限的，而且是連續(xù)的。電磁波的極化表征在空間給定點上電場強度矢量的取向隨時間變化的特性，并用電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡來描述。若該軌跡是直線，則稱直線極化；若軌跡是圓，則稱為圓極化；若軌跡是橢圓，則稱為橢圓極化。入射波的電場矢量與入射面垂直，入射波的磁場與入射面平行，則稱TE波；入射波的電場矢量與入射面平行，入射波的磁場垂直于入射面，則稱TM波；電場分量和磁場分量都只垂直于電磁波的傳播方向，則稱TEM波。電磁波的幅度是指電磁波的最大值與最小值之間的差，電磁波的相位是描述電磁波在特定時刻處在循環(huán)中的位置，在波峰、波谷或它們之間某點的標(biāo)度。本發(fā)明所說的無縫拼接是指相移諧振單元的側(cè)面與相鄰的相移諧振單元的側(cè)面之間通過粘合或緊密貼合等方式拼接在一起，從來形成一個無縫的整體(如圖5和圖6所示)。需要說明的是，如果被隱身物體的表面是平面，則用于對其隱身的隱身衣亦可呈平面狀(如圖6所示)，此時相移諧振單元之間可以不需要粘合在一起，而只要相鄰的相移諧振單元的側(cè)面相互之間緊密貼合在一起，形成無縫排列即可構(gòu)成隱身衣(如圖6所示)。電磁波是指由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以周期波動的形式進行能量和動量傳遞的一種波。當(dāng)電磁波遇到障礙物時，反射波會紊亂。如果將本發(fā)明超表面隱身衣覆蓋障礙物，則電磁波入射后可實現(xiàn)沒有障礙物時一樣的反射效果。如圖1和圖2所示，本發(fā)明超表面隱身衣的相移諧振單元由上層介質(zhì)3、中間層介質(zhì)2和下層介質(zhì)1構(gòu)成，相移諧振單元的每條輪廓線尺寸均小于工作電磁波波長；上層介質(zhì)3為具有全極化功能的諧振結(jié)構(gòu)4，上層介質(zhì)3固定在中間層介質(zhì)2的上表面5，中間層介質(zhì)2是非金屬層，下層介質(zhì)1是金屬層，下層介質(zhì)1的上表面和中間層介質(zhì)2的下表面緊貼且完全吻合。下層介質(zhì)1的下表面為隱身衣的內(nèi)表面。具有全極化功能的諧振結(jié)構(gòu)可為圓環(huán)、雙工字型、正方形環(huán)等金屬圖案或電介質(zhì)圖案，能夠?qū)Σ煌瑯O化電磁波激發(fā)相同的諧振。圖2中采用的諧振結(jié)構(gòu)4是圓環(huán)金屬圖案，圖3中采用的諧振結(jié)構(gòu)6是雙工字型金屬圖案。相移諧振單元的中間層介質(zhì)和下層介質(zhì)設(shè)計也很靈活，形式多樣。例如，圖4示出的相移諧振單元的下層介質(zhì)、中間層介質(zhì)均為正六棱柱。超表面隱身衣的每個相移諧振單元需要的“改變的反射波相位”與工作電磁波波數(shù)、工作電磁波入射角度和距離底面高度有關(guān)。在本發(fā)明中，可通過改變上層介質(zhì)的尺寸，使每個相移諧振單元的改變的反射波相位滿足式(1)所示的條件：δ＝180°-2kbhcos(θ)(1)式(1)中，δ表示改變的反射波相位，θ表示隱身衣的工作電磁波與水平面夾角的余角，h表示相移諧振單元的幾何中心距離地面的高度，kb表示隱身衣的工作電磁波波數(shù)。本發(fā)明超表面隱身衣由相移諧振單元無縫拼接而成，如圖5所示。圖5中的相移諧振單元的諧振結(jié)構(gòu)為圓環(huán)金屬圖案，圓環(huán)9a-9e的尺寸不同。以下結(jié)合圖7中的相移諧振單元13來具體說明如何設(shè)計超表面隱身衣上的相移諧振單元。假設(shè)工作電磁波入射波束14以任意角度θ入射到本發(fā)明超表面隱身衣上，那么構(gòu)成超表面隱身衣的每個相移諧振單元需要的改變的反射波相位δ不同，相移諧振單元13距離放置被隱身物體的底面12的高度為h，將其帶入(1)式，計算出改變的反射波相位δ。實踐中，可利用電磁仿真軟件設(shè)計上層介質(zhì)的尺寸(即諧振結(jié)構(gòu)的尺寸)，使相移諧振單元的改變的反射波相位為δ。根據(jù)如上方法，依次計算出每個相移諧振單元需要的改變的反射波相位，并仿真得到對應(yīng)的相移諧振單元。當(dāng)電磁波束遇到障礙物時，反射波紊亂。圖8中，工作電磁波垂直入射到障礙物金屬圓臺16上，15a、15b、15c、15d、15e表示工作電磁波入射到金屬圓臺16的側(cè)面上的反射波，15f、15g表示工作電磁波入射到金屬圓臺16的頂面(即上表面)上的反射波。這些射線表示所處位置處的電磁波束的傳播特性，射線的方向表示射線所處位置處的電磁波束的能量傳播方向。由圖8可以清晰地看出，金屬圓臺的側(cè)面上和頂面上的反射波方向都不一樣，很容易被探測到。如圖9所示，在將本發(fā)明超表面隱身衣覆蓋在金屬圓臺16上后，工作電磁波的反射波束17a-17g的幅度和相位一致，等同于金屬圓臺16不存在，實現(xiàn)了對金屬圓臺16的隱身。除了金屬圓臺外，本發(fā)明隱身衣還可針對其他任意形狀的物體實現(xiàn)隱身。