一种三维电磁波隐身器件技术领域
本发明涉及一种三维电磁波隐身器件，属于电磁波隐身领域。
背景技术
隐身一直是人类长期以来的一种理想，但是隐身技术长久以来一直没有实现。当电磁波入射到物体上时，会在物体表面发生反射、散射，散射出来的光能被接收到了，物体就会“显形”了。现有的隐形技术，比如像隐形飞机等采用的隐身技术，主要是在微波段，在物体表面涂抹能吸收雷达波的材料，通过吸收其对应的特定波长，从而达到无法探测的效果，然而这种技术不是真正的隐身，且只能对单基站雷达隐身，而不能对双基站雷达隐身，因此很容易就被双基站雷达发现。在光波段，现有的隐身技术主要还是军事迷彩等，然而，这也只是一种伪装而不是真正的从视线中消失。近些年来出现了利用异向介质做成的隐身器件，利用异向介质控制电磁波的轨迹，从而使电磁波绕过被隐身的物体，不过，目前实现的利用异向介质做成的隐身器件，大部分只能实现对特定极化的电磁波的隐身，而且只能在二维尺度对物体进行隐身，不能在三维尺度对物体进行隐身。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维电磁波隐身器件，它可以在三维尺度实现对电磁波隐身。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：它是由八个第一介质单元、八个第二介质单元和十二个第三介质单元围成的中间为隐身区域的封闭的立方体，所述第三介质单元的折射率大于第一介质单元的折射率，第一介质单元的折射率大于第二介质单元的折射率；
所述各第一介质单元是一个立方体缺失了一个正三棱锥后而形成的七面体，该立方体的棱长为l，l＞0，该正三棱锥的顶点为该立方体的一个顶点，该正三棱锥的三个侧棱对应地为该立方体的三条以该顶点为交点的三个棱，该立方体缺失该正三棱锥后所得到的切割面呈正三角形，该正三角形的边长为每个第一介质单元的呈等腰直角三角形状的三个第一侧面分别与不同的第一介质单元的一个第一侧面完全重合；
所述各第二介质单元呈正三棱锥状，各第二介质单元的侧棱的棱长为其中，0<a<1/3，各第二介质单元的侧面为顶角为钝角的等腰三角形；每个第二介质单元的底面分别与一个第一介质单元的切割面完全重合；
所述各第三介质单元为由其两个第一侧面和两个第二侧面构成的四面体，第一侧面和第二侧面均呈等腰三角形状，其中，第一侧面的顶角为钝角，第二侧面的顶角为锐角，两个第一侧面的顶点的连接线为两个第二侧面的底边，两个第二侧面的顶点的连接线为两个第一侧面的底边；各个第三介质单元的每个第一侧面分别与一个第二介质单元的一个侧面完全重合；第二侧面的底边的长度为2a·l，其中，0<a<1/3，各个第三介质单元的每个第二侧面为所述隐身区域的壁。
进一步地，本发明的各个介质单元的折射率满足下式关系：
其中，0<a≤b<1/3；n1表示第一介质单元的折射率，n2表示第二介质单元的折射率，n3表示第三介质单元的折射率。
进一步地，使用本发明时，电磁波由所述隐身器件的外表面垂直入射。
本发明的有益效果是：
本发明以具有不同折射率的第一介质单元、第二介质单元和第三介质单元作为构造隐身器件的材料，电磁波通过该器件时，利用各个介质单元的不同折射率的交界面发生的折射来控制电磁波的传播轨迹，使电磁波发生多次偏移而绕过隐身区域，从而使得入射于此隐身器件的电磁波与出射于该隐身器件的电磁波在一条直线上，得到一种构造简单、易于实现、性能稳定，具有对垂直于该隐身器件的任一表面方向入射的电磁波隐身的隐身器件。本发明通过第一介质单元、第二介质单元和第三介质单元作为构造该隐身器件的材料，不需要利用金属图案，而只需利用自然界中容易获得的材料来实现，不需要较高的工艺，易于实现；本发明隐身器件具有六个方向隐身效果，性能稳定，而且可以对全极化电磁波在三维尺度实现对物体的隐身。
附图说明
图1是本发明第一介质单元的一种形成过程示意图，其中，(a)是第一介质单元在将正三棱锥切割之前呈立方体状的示意图，(b)是切割掉的正三棱锥的示意图；(c)是从(a)中所示的立方体中将(b)所示的正三棱锥切割后得到的第一介质单元的示意图；
图2是第二介质单元的示意图；
图3是第三介质单元的示意图；
图4是本发明将八个第一介质单元拼装在一起后的结构示意图；
图5是本发明隐身器件的隐身区域的结构示意图；
图6是将八个第一介质单元、八个第二介质单元和十二个第三介质单元拼装在一起后的本发明的整体结构示意图；
图7是光线垂直入射于本发明的一个外表面的内接正方形内、外两个不同区域的光路示意图；
图8是入射光线oy的入射点y落在本发明隐身器件的一个外表面的内接正方形内和光线uw的入射点w落在本发明隐身器件的一个外表面的内接正方形外的示意图。
图中，
第一介质单元的第一侧面：△Qnm、△Onj、△Tnk、△Rnl、△Bij、△Eli、△Gki、△Dmi、△Jjl、△Mlk、△Lmk、△Imj；
第一介质单元的第二侧面：正方形NOnQ、正方形QnTS、正方形PRnO、正方形RUTn、正方形UMkT、正方形STkL、正方形HGkM、正方形GFLk、正方形NOjI、正方形OPJj、正方形BjJC、正方形AIjB、正方形NImQ、正方形QmLS、正方形DFLm、正方形IADm、正方形PJlR、正方形RlMU、正方形EHMl、正方形JCEl、正方形ABiD、正方形DiGF、正方形EHGi、正方形BCEi；
第一介质单元的第三侧面(即切割面)：△njm、△nmk、△njl、△nlk、△jmi、△mki、△lki、△jli；
第二介质单元的底面：△njm、△nmk、△njl、△nlk、△jmi、△mki、△lki、△jli；
第二介质单元的侧面：△nja、△nma、△ajm、△jnb、△bnl、△blj、△mnc、△mkc、△cnk、△nld、△ndk、△dkl、△mej、△mei、△ije、△jfl、△fli、△jfi、△mkg、△kgi、△mgi、△lkh、△khi、△lhi；
第三介质单元的第一侧面：△nja、△nma、△ajm、△jnb、△bnl、△blj、△mnc、△mkc、△cnk、△nld、△ndk、△dkl、△mej、△mei、△ije、△jfl、△fli、△jfi、△mkg、△kgi、△mgi、△lkh、△khi、△lhi；
第三介质单元的第二侧面：△abn、△abj、△jfe、△ife、△bfj、△bfl、△aem、△aej、△acm、△acn、△bdn、△bdl、△cdn、△cdk、△cgm、△cgk、△dhk、△dhl、△egm、△egi、△fhl、△fhi、△ghk、△ghi。
具体实施方式
在本发明中，第一介质单元呈七面体状。为便于理解第一介质单元的形状，利用图1(a)至图1(c)示出了第一介质单元的一种形成过程，即可以通过将一个立方体1切割掉一个正三棱锥2后得到本发明的第一介质单元3，其中，立方体1的棱长为l，l＞0。以下以一个具体的示例进行详细的说明。结合图1(a)和图1(b)可知，正三棱锥2的顶点(K)对应地为立方体1的一个顶点(K)，正三棱锥2的三个侧棱(Kj、Km、Ki)对应地为立方体1的三条以立方体1的顶点(K)为交点的棱(Kj、Km、Ki)。如图1(c)所示，从立方体1中切割掉正三棱锥2后的剩余部分即为本发明的第一介质单元。立方体1因缺失正三棱锥2而呈七面体状，因而本发明的第一介质单元为七面体状。从立方体1中切割掉正三棱锥2后，得到一个切割面△imj。该切割面△imj呈正三角形状，称为第一介质单元的第三侧面，它亦对应地为正三棱锥2的底面△imj，其边长为而立方体1的原三个正方形侧面KiBj、KiDm、KjIm因切割了正三棱锥2，分别剩余得到三个相等的等腰直角三角形侧面(△jBi、△mDi、△Ijm)，将它们称为第一介质单元的第一侧面；立方体1的未被切割过的三个相等的正方形侧面(正方形IADm、正方形AIjB、正方形ABiD)则称为第一介质单元的第二侧面。
第二介质单元呈正三棱锥状，如图2所示，该正三棱锥的顶点为e，三个侧棱(ej、em、ei)的棱长为其中，0<a<1/3；第二介质单元的三个侧面(△emj、△emi、△eji)是顶角为钝角的等腰三角形；第二介质单元的底面△jmi呈正三角形，底面△jmi的边长为
如图3所示，第三介质单元呈四面体状，它的四个侧面分别为两个大小相等、形状相同的顶角为钝角的等腰三角形(△fji、△eji)和两个大小相等、形状相同的顶角为锐角的等腰三角形(△fej、△fei)。其中，顶角为钝角的等腰三角形(△fji、△eji)称为第三介质单元的第一侧面，顶角为锐角的等腰三角形(△fej、△fei)称为第三介质单元的第二侧面。两个第一侧面(△fji、△eji)的底边ji重合，底边ji的长度为两个第二侧面(△fej、△fei)的底边fe重合，底边fe的长度为2a·l，其中，0<a<1/3；△fej的腰ej与△eji的腰ej重合，△fej的腰fj与△fji的腰fj重合，△fei的腰fi与△fji的腰fi重合，△fei的腰ei与△eji的腰ei重合。其中，第三介质单元的第一侧面△fji和△eji的腰的长度与第二介质单元的侧棱的棱长相等，均为
以下结合图4和图6，以具体的示例详细说明本发明隐身器件的组装过程。
首先，可将八个第一介质单元按照图4所示的方式进行拼装，即将每个第一介质单元的三个第一侧面分别与不同的第一介质单元的一个第一侧面完全重合在一起。具体地说，将第一个第一介质单元的三个第一侧面△Qnm、△Onj、△Ijm分别对应地与第二个第一介质单元的第一侧面△Qnm、第三个第一介质单元的第一侧面△Onj、第五个第一介质单元的第一侧面△Ijm完全重合；同样地，将第二个第一介质单元的三个第一侧面△Qnm、△Tnk、△Lmk分别对应地与第第一个第一介质单元的第一侧面△Qnm、第四个第一介质单元的第一侧面△Tnk、第六个第一介质单元的第一侧面△Lmk完全重合；将第三个第一介质单元的三个第一侧面△Onj、△Jjl、△Rnl分别对应地与第一个第一介质单元的第一侧面△Onj、第七个第一介质单元的第一侧面△Jjl、第四个第一介质单元的第一侧面△Rnl完全重合；将第四个第一介质单元的三个第一侧面△Tnk、△Rnl、△Mkl分别对应地与第二个第一介质单元的第一侧面△Tnk、第三个第一介质单元的第一侧面△Rnl、第八个第一介质单元的第一侧面△Mkl完全重合；将第五个第一介质单元的三个第一侧面△Imj、△Bji、△Dim分别对应地与第一个第一介质单元的第一侧面△Imj、第七个第一介质单元的第一侧面△Bji、第六个第一介质单元的第一侧面△Dim完全重合；将第六个第一介质单元的三个第一侧面△Lmk、△miD、△Gki分别对应地与第二个第一介质单元的第一侧面△Lmk、第五个第一介质单元的第一侧面△miD、第八个第一介质单元的第一侧面△Gki完全重合；将第七个第一介质单元的三个第一侧面△Jjl、△Bji、△Eli分别对应地与第三个第一介质单元的第一侧面△Jjl、第五个第一介质单元的第一侧面△Bji、第八个第一介质单元的第一侧面△Eli完全重合；将第八个第一介质单元的三个第一侧面△Mlk、△Gki、△Eli分别对应地与第四个第一介质单元的第一侧面△Mlk、第六个第一介质单元的第一侧面△Gki、第七个第一介质单元的第一侧面△Eli完全重合。
参见图6，进一步地，每个第二介质单元的底面分别与一个第一介质单元的切割面完全重合。具体地说，将第一个第一介质单元的第三侧面△njm与第一个第二介质单元的底面△njm完全重合；第二个第一介质单元的第三侧面△nmk与第二个第二介质单元的底面△nmk完全重合；第三个第一介质单元的第三侧面△njl与第三个第二介质单元的底面△njl完全重合；第四个第一介质单元的第三侧面△nlk与第四个第二介质单元的底面△nlk完全重合；第五个第一介质单元的第三侧面△jmi与第五个第二介质单元的底面△jmi完全重合；第六个第一介质单元的第三侧面△mki与第六个第二介质单元的底面△mki完全重合；第七个第一介质单元的第三侧面△jli与第七个第二介质单元的底面△jli完全重合；第八个第一介质单元的第三侧面△lki与第八个第二介质单元的底面△lki完全重合。
进一步地，每个第二介质单元的侧面分别与一个第三介质单元的第一侧面完全重合。具体地说，将第一个第二介质单元的三个侧面△amn、△ajn、△ajm分别对应地与第一个第三介质单元的第一侧面△amn、第二个第三介质单元的第一侧面△ajn、第九个第三介质单元的第一侧面△ajm完全重合；同样地，将第二个第二介质单元的三个侧面△cmn、△cnk、△cmk分别对应地与第一个第三介质单元的第一侧面△cmn、第三个第三介质单元的第一侧面△cnk、第十个第三介质单元的第一侧面△cmk完全重合；将第三个第二介质单元的三个侧面△bnj、△bnl、△bjl分别对应地与第二个第三介质单元的第一侧面△bnj、第四个第三介质单元的第一侧面△bnl、第十一个第三介质单元的第一侧面△bjl完全重合；将第四个第二介质单元的三个侧面△dnl、△dnk、△dlk分别对应地与第四个第三介质单元的第一侧面△dnl、第三个第三介质单元的第一侧面△dnk、第十二个第三介质单元的第一侧面△dlk完全重合；将第五个第二介质单元的三个侧面△emi、△eji、△ejm分别对应地与第五个第三介质单元的第一侧面△emi、第六个第三介质单元的第一侧面△eji、第九个第三介质单元的第一侧面△ejm完全重合；将第六个第二介质单元的三个侧面△gim、△gik、△gmk分别对应地与第五个第三介质单元的第一侧面△gim、第七个第三介质单元的第一侧面△gik、第十个第三介质单元的第一侧面△gmk完全重合；将第七个第二介质单元的三个侧面△fij、△fil、△flj分别对应地与第六个第三介质单元的第一侧面△fij、第八个第三介质单元的第一侧面△fil、第十一个第三介质单元的第一侧面△flj完全重合；将第八个第二介质单元的三个侧面△hil、△hik、△hkl分别对应地与第八个第三介质单元的第一侧面△hil、第七个第三介质单元的第一侧面△hik、第十二个第三介质单元的第一侧面△hkl完全重合。
至此，组装形成了如图6所示的本发明隐身器件。
综上可知，本发明隐身器件是由八个第一介质单元、八个第二介质单元和十二个第三介质单元构成，其中，第一介质单元(七面体NQOnjmI)的第一侧面(△Qnm)与其相邻的第一介质单元(七面体QSTnmkL)的第一侧面(△Qnm)完全重合，同理，其余的第一介质单元的第一侧面(△Onj、△Tnk、△Rnl、△Bij、△Eli、△Gki、△Dmi、△Jjl、△Mlk、△Lmk、△Imj)分别与不同的相邻第一介质单元的第一侧面(△Qnm、△Onj、△Tnk、△Rnl、△Bij、△Eli、△Gki、△Dmi、△Jjl、△Mlk、△Lmk、△Imj)完全重合，第一介质单元(七面体NQOnjmI)的第三侧面(△njm)与第二介质单元(正三棱锥njma)的第一侧面(△njm)重合，同理，其余的第一介质单元的第三侧面(△nmk、△jnl、△nlk、△jmi、△mki、△lki、△jli)分别对应地与相邻的第二介质单元的底面(△nmk、△jnl、△nlk、△jmi、△mki、△lki、△jli)重合，第二介质单元(正三棱锥njma)的侧面(△nja)与第三介质单元(四面体njab)的第一侧面(△nja)重合，同理，其余各第二介质单元的各侧面(△nma、△ajm、△jnb、△bnl、△blj、△mnc、△mkc、△cnk、△nld、△ndk、△dkl、△mej、△mei、△ije、△jfl、△fli、△jfi、△mkg、△kgi、△mgi、△lkh、△khi、△lhi)分别对应地与相邻的第三介质单元的第一侧面(△nma、△ajm、△jnb、△bnl、△blj、△mnc、△mkc、△cnk、△nld、△ndk、△dkl、△mej、△mei、△ije、△jfl、△fli、△jfi、△mkg、△kgi、△mgi、△lkh、△khi、△lhi)完全重合。需要说明的是，在本发明中，可以通过粘合的方法将相应的侧面重合在一起。可见，八个第一介质单元、八个第二介质单元和十二个第三介质单元共同围成了中间为空腔(即隐身区域)的封闭的立方体，从而构成了本发明的隐身器件。其中，隐身区域的形状如图5所示，它是由第三介质单元的第二侧面围成的封闭的空间，各个第三介质单元的每个第二侧面即为该隐身区域的壁；八个第一介质单元的第二侧面则共同构成本发明隐身器件的外表面。
对于本发明而言，以可见光为例，任何垂直于本发明隐身器件的外表面入射到隐身器件的光线，其入射点或者落在隐身器件的任一外壁的内接正方形内，或者落在隐身器件的任一外壁的内接正方形外。以下结合图7和图8，分别以与上述两种不同的入射情况对应的射光线oy和uv为例进行具体说明这两种光线入射到该隐身器件的轨迹图。其中，入射光线oy的入射点y落在隐身器件的外表面SUPN的内接正方形QORT内，入射光线uw的入射点w落在隐身器件的外表面SUPN的内接正方形QORT外。
众所周知，当光线入射到两个不同物体的交界面时，会发生折射，折射的方向跟光线入射的角度和两种介质的折射率有关，即遵循斯奈尔定律n1sinθ1＝n2sinθ2，其中n1和n2分别为入射波和折射波所在介质的折射率，θ1和θ2分别为电磁波的入射角和折射角。相对而言，交界面两边介质的折射率相差越大，光线在这一交界面出射时相对于入射时发生的偏移越大。
在本发明中，第三介质单元的折射率大于第一介质单元的折射率，第一介质单元的折射率大于第二介质单元的折射率。进一步地，第一介质单元、第二介质单元和第三介质单元的折射率遵循如下公式：
其中，0<a≤b<1/3
其中，n1表示所述第一介质单元的折射率，n2表示所述第二介质单元的折射率，n3表示所述第三介质单元的折射率。
由图7可知，从垂直于第一介质单元(七面体nRTUklM)的第二侧面(正方形RUTn)入射的光线oy，在交界面(正方形RUTn)发生第一次折射，折射光线yp与入射光线oy在一条直线上，在交界面第二介质单元(正三棱锥nldk)的底面(△nlk)发生第二次折射，该第二次折射后的光线pq在交界面第三介质单元(四面体dhlk)的第一侧面(△dlk)发生第三次折射，该第三次折射后的光线qr与最初入射的光线oy平行，且绕过了中间的隐身区域；根据光路的可逆性和结构的对称性，该第三次折射的光线qr在交界面第三介质单元(四面体dhlk)的第一侧面(△lhk)发生第四次折射，该第四次折射后的光线rs在交界面第二介质单元(正三棱锥lkih)的底面(△ilk)发生第五次折射，该第五次折射后的光线sz’在交界面第一介质单元(七面体iEHGMkl)的第二侧面(正方形EHGi)发生第六次折射，该第六次折射后的光线z’t从第一介质单元(七面体iEHGMkl)的第二侧面(正方形EHGi)射出，且与最初入射的光线oy在同一条直线上。
如图7所示，从垂直于第一介质单元(七面体nRTUklM)的第二侧面(正方形RUTn)入射的光线uw，在交界面第一介质单元(七面体nRTUklM)的第二侧面(正方形RUTn)发生第一次折射，该第一次折射后的光线wx在交界面第一介质单元(七面体iEHGMkl)的第一侧面(△lkM)发生第二次折射，该第二次折射后的光线xz在交界面第一介质单元(七面体iEHGMkl)的第二侧面(正方形EHGi)发生第三次折射，该第三次折射后的zv从从第一介质单元(七面体iEHGMkl)的第二侧面(正方形EHGi)射出。由于光线始终垂直于入射的各个交界面，因此光线uw、光线wx、光线xz和光线zv始终在同一条直线上，并且均绕过了中间的隐身区域。
同理，对于本发明隐身器件而言，虽然图7只示出了从一个方向垂直入射光的示例，由于结构的对称性，对于任何垂直于第一介质单元的任一个第二侧面(正方形NOnQ、正方形QnTS、正方形PRnO、正方形RUTn、正方形UMkT、正方形STkL、正方形HGkM、正方形GFLk、正方形NOjI、正方形OPJj、正方形BjJC、正方形AIjB、正方形NImQ、正方形QmLS、正方形DFLm、正方形IADm、正方形PJlR、正方形RlMU、正方形EHMl、正方形JCEl、正方形ABiD、正方形DiGF、正方形EHGi、正方形BCEi)的入射光线，其入射点或者落在隐身器件的任一外壁的内接正方形内，或者落在隐身器件的任一外壁的内接正方形外，均能绕过隐身区域所在的空腔，使空腔内的物体被隐身，达到与图7的示例一样的隐身效果。因此，该隐身装置能在三维尺度实现六个方向的隐身效果。
光线在各向异性介质交界面处的折射情况与入射光的极化方向有关。与各向异性介质的情况不同，本发明隐身器件所用的第一介质单元、第二介质单元和第三介质单元都是各向同性的，在这些介质的交界面处的折射与入射光的极化方向无关，所以本发明隐身器件的隐身效果与光线的极化方向无关，可以对全极化光实现隐身。
针对其他频率的电磁波，当电磁波从本发明隐身器件的任一个外表面垂直入射时，本发明隐身器件同样可以在三维尺度对全极化方向电磁波实现六个方向的隐身效果。