电场调控单向金属-介质复合隐身器件及制作方法

摘要

本发明公开了一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件及制作方法，隐身器件包括隐身器件主体和电场调控系统；隐身器件主体包括第一电介质板、第二电介质板和金属十字阵列；第一电介质板与第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构；第一电介质板的两侧面上分别对称附着金属十字阵列；电场调控系统包括直流稳压电源、直流偏压线、斜向金属线和直流电压控制器；第一电介质板的两侧面上的斜向金属线穿过金属十字阵列中的金属十字的交叉点，并通过直流偏压线分别与直流稳压电源的正极和负极相连；直流电压控制器用于控制直流稳压电源的输出电压以调节施加于第一电介质板的直流电场，实现对隐身器件工作频率的调谐。本发明可以实现对不同频段的电磁波的隐身，适用范围大且结构稳定性高。

权利要求

1.一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，包括：隐身器件主体，所述隐身器件主体包括第一电介质板、第二电介质板和金属十字阵列；

其中，所述第一电介质板的介电常数高于所述第二电介质板的介电常数，所述第一电介质板与所述第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，所述层状堆叠结构为具有菱形柱状空间的菱形柱状体，所述层状堆叠结构的外轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投影为外菱形，所述菱形柱状空间的轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投影为内菱形，所述外菱形的中心与所述内菱形的中心重合，所述外菱形的一对相对的两个顶点与所述内菱形的一对相对的两个顶点重合；所述第一电介质板的两侧面上分别对称附着所述金属十字阵列；

电场调控系统，所述电场调控系统包括直流稳压电源、直流偏压线、斜向金属线和直流电压控制器；其中，所述直流稳压电源用于对所述第一电介质板施加稳定的直流电压，以使所述第一电介质板处于稳定直流电场中；所述第一电介质板的两侧面上的所述斜向金属线穿过所述金属十字阵列中的金属十字的交叉点，并通过所述直流偏压线分别与所述直流稳压电源的正极和负极相连；所述直流电压控制器用于控制所述直流稳压电源的输出电压以调节施加于所述第一电介质板的所述直流电场，从而改变所述第一电介质板本身的介电常数，使所述隐身器件主体的频率特性曲线发生移动，实现对所述隐身器件工作频率的调谐。

2.根据权利要求1所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，所述第一电介质板的介电常数随电场的变化而变化，并且所述第一电介质的介电常数的数值大于

50。

3.根据权利要求2所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，所述第二电介质板的介电常数范围为0.8～2.0。

4.根据权利要求1所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，所述隐身器件主体以x’y’z’坐标系为参考时，所述外菱形的一对相对的两个顶点处于x’轴方向上，所述外菱形的另一对相对的两个顶点处于y’轴方向上，所述层状堆叠结构的中心线处在z’轴方向上；所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第二象限的部分与所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第一象限的部分以y轴对称，所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第三象限的部分及所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第四象限的部分与所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第二象限的部分及所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第一象限的部分以x轴对称；所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第一象限的部分中的所述金属十字阵列在xyz坐标系中具体为：所述xyz坐标系中的z轴方向与所述x’y’z’坐标系的所述z’轴方向重合，所述xyz坐标系中的x轴方向与所述x’y’z’坐标系的x’轴方向具有夹角θ，所述金属十字阵列中的多个所述金属十字沿x轴方向和y轴方向间隔开排列，且所述金属十字阵列中的所述金属十字的两条金属臂分别平行于x轴方向和y轴方向。

5.根据权利要求4所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，所述夹角θ满足如下公式：

其中，

β为所述隐身器件主体外部边界与x’轴的夹角；

α为所述隐身器件主体内部边界与x’轴的夹角。

6.根据权利要求4所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，所述金属十字阵列中的所述金属十字沿x轴和y轴方向的两条金属臂长度不同，所述金属十字阵列沿x轴方向和y轴方向的分布周期不同。

7.根据权利要求6所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，位于所述x’y’z’坐标系的第一象限中的所述金属十字阵列中的所述金属十字沿所述xyz坐标系的x轴和y轴方向的周期长度均小于所述隐身器件工作频率对应的电磁波波长的1/5。

8.根据权利要求1‑7中任意一项所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，其特征在于，所述第一电介质板的两侧面上的所述金属十字阵列对应地作为正极和负极给所述第一电介质板提供所述直流电场。

9.一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件的制作方法，其特征在于，所述电场调控单向金属‑介质复合隐身器件为根据权利要求1‑8中任意一项所述的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，所述制作方法包括如下步骤：采用机加工的方式加工出所需几何尺寸的所述第一电介质板和所述第二电介质板；

在所述第一电介质板两侧面上加工出所述金属十字阵列和所述斜向金属线，并将所述第一电介质板两侧的斜向金属线通过所述直流偏压线分别接入所述直流稳压电源的正极和负极；

将附着有所述金属十字阵列和所述斜向金属线的所述第一电介质板与第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构。

说明书

电场调控单向金属‑介质复合隐身器件及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁波控制技术领域，尤其是涉及一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件及制作方法。

背景技术

[0002] 传统的隐身技术是利用吸波材料减少对雷达波的反射来实现隐身，但在面对地空雷达以及多基地雷达等更为先进的探测技术时，通常难以继续保持隐身效果。近年来逐渐
兴起的基于变换光学的隐身技术为解决这一难题带来了希望。利用特定空间分布的各向异
性电磁参数，变换光学隐身器件能够控制电磁波的传播路径，使其在隐身介质中传播时绕
过隐身区域，并且在出射时回到原来的入射方向，使得空间中的电磁场分布与该区域内没
有物体时无异，从而实现真正意义上的完美隐身。

[0003] 然而，基于变换光学的隐身器件必须具有各向异性的复杂电磁参数，这需要借助于人工构造的电磁超材料来实现。现有的超材料利用电磁谐振来实现特定的等效电磁参
数，具有严重的色散特性，导致隐身器件工作在固定的频段内；超材料不同方向上电磁谐振
间的耦合使得对等效各向异性电磁参数的精准调控较为困难，需要消耗大量的时间和计算
资源来对结构进行优化设计；此外超材料往往需要借助于支撑框架或基板来实现电磁谐振
单元的周期性空间分布，这容易引起装配误差并且降低了结构稳定性，限制了隐身器件的
应用范围。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，可以实现对不同频段的电磁波的隐
身，适用范围大、控制方便、结构简单合理、装配方便且结构稳定性高。

[0005] 根据本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，包括：

[0006] 隐身器件主体，所述隐身器件主体包括第一电介质板、第二电介质板和金属十字阵列；其中，所述第一电介质板的介电常数高于所述第二电介质板的介电常数，所述第一电
介质板与所述第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，所述层状堆叠结构为具有菱形柱
状空间的菱形柱状体，所述层状堆叠结构的外轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投影为外
菱形，所述菱形柱状空间的轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投影为内菱形，所述外菱形
的中心与所述内菱形的中心重合，所述外菱形的一对相对的两个顶点与所述内菱形的一对
相对的两个顶点重合；所述第一电介质板的两侧面上分别对称附着所述金属十字阵列；

[0007] 电场调控系统，所述电场调控系统包括直流稳压电源、直流偏压线、斜向金属线和直流电压控制器；其中，所述直流稳压电源用于对所述第一电介质板施加稳定的直流电压，
以使所述第一电介质板处于稳定直流电场中；所述第一电介质板的两侧面上的所述斜向金
属线穿过所述金属十字阵列中的金属十字的交叉点，并通过所述直流偏压线分别与所述直
流稳压电源的正极和负极相连；所述直流电压控制器用于控制所述直流稳压电源的输出电
压以调节施加于所述第一电介质板的所述直流电场，从而改变所述第一电介质板本身的介
电常数，使所述隐身器件主体的频率特性曲线发生移动，实现对所述隐身器件工作频率的
调谐。

[0008] 根据本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，第一电介质板和第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构，第一电介质板的两侧面分别附着有金属
十字阵列，金属十字在交变磁场中会产生磁谐振，这样，通过金属十字的磁谐振可以实现沿
金属十字的两条金属臂方向的等效各向异性磁导率，通过第一电介质板和第二电介质板的
层状堆叠结构实现沿堆叠方向上的等效介电常数，当隐身器件在某一特定频段实现变换光
学理论要求的特定各向异性的等效介电常数和等效磁导率时，隐身器件可以控制电磁波传
播路径与相位，使得菱形柱状空间内的障碍物对平面内单方向入射的电磁波隐身；通过直
流电压控制器控制直流稳压电源的输出电压，调节第一电介质板两侧的直流电压，即调节
第一电介质板所处的直流电场，从而改变第一电介质板的介电常数，改变金属十字的谐振
特性，使得金属十字阵列的等效磁导率色散曲线发生移动，对隐身器件的工作频率进行调
谐，由此，实现对不同频段的电磁波的隐身。综上，本发明第一方面实施例的电场调控单向
金属‑介质复合隐身器件可以实现对不同频段的电磁波的隐身，适用范围大、控制方便、结
构简单合理、装配方便且结构稳定性高。

[0009] 根据本发明第一方面的一个实施例，所述第一电介质板的介电常数随电场的变化而变化，并且所述第一电介质的介电常数的数值大于50。

[0010] 根据本发明第一方面进一步的实施例，所述第二电介质板的介电常数范围为0.8～2.0。

[0011] 根据本发明第一方面的一个实施例，所述隐身器件主体以x’y’z’坐标系为参考时，所述外菱形的一对相对的两个顶点处于x’轴方向上，所述外菱形的另一对相对的两个
顶点处于y’轴方向上，所述层状堆叠结构的中心线处在z’轴方向上；所述隐身器件主体在
位于所述x’y’z’坐标系的第二象限的部分与所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系
的第一象限的部分以y轴对称，所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第三象限的
部分及所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第四象限的部分与所述隐身器件主
体在位于所述x’y’z’坐标系的第二象限的部分及所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐
标系的第一象限的部分以x轴对称；所述隐身器件主体在位于所述x’y’z’坐标系的第一象
限的部分中的所述金属十字阵列在xyz坐标系中具体为：所述xyz坐标系中的z轴方向与所
述x’y’z’坐标系的所述z’轴方向重合，所述xyz坐标系中的x轴方向与所述x’y’z’坐标系的
x’轴方向具有夹角θ，所述金属十字阵列中的多个所述金属十字沿x轴方向和y轴方向间隔
开排列，且所述金属十字阵列中的所述金属十字的两条金属臂分别平行于x轴方向和y轴方
向。

[0012] 根据本发明第一方面进一步的实施例，所述夹角θ满足如下公式：

[0013]

[0014] 其中，

[0015] β为所述隐身器件主体外部边界与x’轴的夹角；

[0016] α为所述隐身器件主体内部边界与x’轴的夹角。

[0017] 根据本发明第一方面进一步的实施例，所述金属十字阵列中的所述金属十字沿x轴和y轴方向的两条金属臂长度不同，所述金属十字阵列沿x轴方向和y轴方向的分布周期
不同。

[0018] 根据本发明第一方面再进一步的实施例，位于所述x’y’z’坐标系的第一象限中的所述金属十字阵列中的所述金属十字沿所述xyz坐标系的x轴和y轴方向的周期长度均小于
所述隐身器件工作频率对应的电磁波波长的1/5。

[0019] 根据本发明第一方面的一些实施例，所述第一电介质板的两侧面上的所述金属十字阵列对应地作为正极和负极给所述第一电介质板提供所述直流电场。

[0020] 本发明第二方面还提出一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件的制作方法。

[0021] 根据本发明第二方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件的制作方法，所述电场调控单向金属‑介质复合隐身器件为根据上述任意一个第一方面实施例所述
的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件，所述制作方法包括如下步骤：

[0022] 采用机加工的方式加工出所需几何尺寸的所述第一电介质板和所述第二电介质板；

[0023] 在所述第一电介质板两侧面上加工出所述金属十字阵列和所述斜向金属线，并将所述第一电介质板两侧的斜向金属线通过所述直流偏压线分别接入所述直流稳压电源的
正极和负极；

[0024] 将附着有所述金属十字阵列和所述斜向金属线的所述第一电介质板与第二电介质板交替排列构成层状堆叠结构。

[0025] 根据本发明第二方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件的制作方法，选用高介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第一电介质板，
选用低介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第二电介质板；通
过印刷电路板、微加工或3D打印等方式在第一电介质板的两侧加工出所需金属十字阵列和
斜向金属线，将附着有金属十字阵列和斜向金属线的第一电介质板和和第二电介质板交替
排列构成层状堆叠结构，得到隐身器件主体，多条直流偏压线一端分别一一对应地与第一
电介质板两侧的斜向金属线连接，另一端分别接入直流稳压电源的正极或负极。由此，电场
调控单向金属‑介质复合隐身器件制作简单，装配方便，通过直流电压控制器控制直流稳压
电源的输出电压，调节第一电介质板两侧的直流电压，即调节第一电介质板所处的直流电
场，从而改变第一电介质板的介电常数，改变金属十字的谐振特性，使得金属十字阵列的等
效磁导率色散曲线发生移动，对隐身器件的工作频率进行调谐，由此实现对不同频段的电
磁波的隐身。

[0026] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0027] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0028] 图1为本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件的结构示意图。

[0029] 图2为图1中A处的放大示意图。

[0030] 图3为本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件中第一电介质板和金属十字的装配示意图。

[0031] 图4为本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件的金属十字阵列实现的各向异性等效磁导率μx,eff，μy,eff和等效介电常数εz,eff的频谱图，其中μx,eff和
μy,eff在磁谐振频率处具有洛仑兹线型的色散曲线。

[0032] 图5为本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件对于平面电磁波发射源发射的在平面内沿x’方向入射的平面电磁波的隐身效果图。

[0033] 附图标记：

[0034] 隐身器件1000

[0035] 隐身器件主体1

[0036] 菱形柱状空间111菱形柱状体112第一电介质板113第二电介质板114

[0037] 金属十字阵列12

[0038] 金属十字121金属臂1211金属－介质复合超材料单元13

[0039] 电场调控系统2

[0040] 直流稳压电源21直流偏压线22直流电压控制器23

[0041] 平面电磁波发射源3

[0042] 平面电磁波4

具体实施方式

[0043] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0044] 下面结合图1至图5来描述本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000。

[0045] 如图1至图5所示，根据本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000，包括隐身器件主体1和电场调控系统2；隐身器件主体1包括第一电介质板113、
第二电介质板114和金属十字阵列12；其中，第一电介质板113的介电常数高于第二电介质
板114的介电常数，第一电介质板113与第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构，层状
堆叠结构为具有菱形柱状空间111的菱形柱状体112，层状堆叠结构的外轮廓在垂直堆叠方
向的投影面上的投影为外菱形，菱形柱状空间111的轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投
影为内菱形，外菱形的中心与内菱形的中心重合，外菱形的一对相对的两个顶点与内菱形
的一对相对的两个顶点重合；第一电介质板113的两侧面上分别对称附着金属十字阵列12；
电场调控系统2包括直流稳压电源21、直流偏压线22、斜向金属线和直流电压控制器23；其
中，直流稳压电源21用于对第一电介质板113施加稳定的直流电压，以使第一电介质板113
处于稳定直流电场中；第一电介质板113的两侧面上的斜向金属线穿过金属十字阵列12中
的金属十字121的交叉点，并通过直流偏压线22分别与直流稳压电源21的正极和负极相连；
直流电压控制器23用于控制直流稳压电源21的输出电压以调节施加于第一电介质板113的
直流电场，从而改变第一电介质板113本身的介电常数，使隐身器件主体1的频率特性曲线
发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐。

[0046] 具体地，隐身器件主体1包括第一电介质板113、第二电介质板114和金属十字阵列12；其中，第一电介质板113的介电常数高于第二电介质板114的介电常数，第一电介质板
113与第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构，层状堆叠结构为具有菱形柱状空间
111的菱形柱状体112，层状堆叠结构的外轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投影为外菱
形，菱形柱状空间111的轮廓在垂直堆叠方向的投影面上的投影为内菱形，外菱形的中心与
内菱形的中心重合，外菱形的一对相对的两个顶点与内菱形的一对相对的两个顶点重合；
第一电介质板113的两侧面上分别对称附着金属十字阵列12。可以理解的是，第一电介质板
113和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构，第一电介质板113的两侧面分别附着
有金属十字阵列12，这样，通过金属十字121的磁谐振可以实现沿金属十字121的两条金属
臂1211方向的等效各向异性磁导率，通过第一电介质板113和第二电介质板114的层状堆叠
结构实现沿堆叠方向上的等效介电常数，隐身器件1000可以满足变换光学理论控制电磁波
传播路径与相位的要求，从而实现对菱形柱状空间111内部障碍物的隐身；优选地，第一电
介质板113的介电常数远远高于第二电介质板114的介电常数。

[0047] 电场调控系统2包括直流稳压电源21、直流偏压线22、斜向金属线和直流电压控制器23；其中，直流稳压电源21用于对第一电介质板113施加稳定的直流电压，以使第一电介
质板113处于稳定直流电场中；第一电介质板113的两侧面上的斜向金属线穿过金属十字阵
列12中的金属十字121的交叉点，并通过直流偏压线22分别与直流稳压电源21的正极和负
极相连；直流电压控制器23用于控制直流稳压电源21的输出电压以调节施加于第一电介质
板113的直流电场，从而改变第一电介质板113本身的介电常数，使隐身器件主体1的频率特
性曲线发生移动，实现对隐身器件1000工作频率的调谐。可以理解的是，第一电介质板113
两侧面的金属十字阵列12通过斜向金属线分别连接在一起，并通过直流偏压线22接入直流
稳压电源21的正极或负极，以向第一电介质板113施加稳定的直流电场，利用第一电介质板
113本身的介电常数随所处直流电场的变化而改变的特性，通过直流电压控制器23控制直
流稳压电源21的输出电压，调节第一电介质板113两侧的直流电压，即调节第一电介质板
113所处的直流电场，从而改变第一电介质板113的介电常数，改变金属十字121的谐振特
性，使得金属十字阵列12的等效磁导率色散曲线发生移动，可以对隐身器件1000的工作频
率进行调谐由此实现对不同频段的电磁波的隐身。

[0048] 根据本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000，第一电介质板113和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构，第一电介质板113的两侧面
分别附着有金属十字阵列12，金属十字121在交变磁场中会产生磁谐振，这样，通过金属十
字121的磁谐振可以实现沿金属十字121的两条金属臂1211方向的等效各向异性磁导率，通
过第一电介质板113和第二电介质板114的层状堆叠结构实现沿堆叠方向上的等效介电常
数，当隐身器件1000在某一特定频段实现变换光学理论所要求的特定各向异性的等效介电
常数和等效磁导率时，隐身器件1000可以控制电磁波传播路径与相位的要求，使得菱形柱
状空间111内的障碍物能够对平面内单方向入射的电磁波实现隐身；通过直流电压控制器
23控制直流稳压电源21的输出电压，调节第一电介质板113两侧的直流电压，即调节第一电
介质板113所处的直流电场，从而改变第一电介质板113的介电常数，改变金属十字121的谐
振特性，使得金属十字阵列12的等效磁导率色散曲线发生移动，可以对隐身器件1000的工
作频率进行调谐，由此实现对不同频段的电磁波的隐身。综上，本发明第一方面实施例的电
场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000可以实现对不同频段的电磁波的隐身，适用范围
大、控制方便、结构简单合理、装配方便且结构稳定性高。

[0049] 根据本发明第一方面的一个实施例，第一电介质板113的介电常数随电场的变化而变化，并且第一电介质的介电常数的数值大于50。可以理解的是，由于高介电常数电介质
板的介电常数会跟随电场变化而明显变化，第一电介质板113应该选用介电常数随外加电
场变化系数较大的高介电常数电介质板，由此通过调节电场可以明显的调节第一电介质板
113的介电常数，例如，第一电介质板113可以为介电常数大于50的铁电陶瓷材料。

[0050] 根据本发明第一方面进一步的实施例，第二电介质板114的介电常数范围为0.8～2.0。具体地，第二电介质板114的介电常数可以为0.8、1.0或1.2，第二电介质板114应选用
介电常数远低于第一电介质板113的低介电常数电介质板，例如，轻木或含氟聚合物泡沫
等，可以有效地减少对入射电磁波的干扰。

[0051] 根据本发明第一方面的一个实施例，隐身器件主体1以x’y’z’坐标系为参考时，外菱形的一对相对的两个顶点处于x’轴方向上，外菱形的另一对相对的两个顶点处于y’轴方
向上，层状堆叠结构的中心线处在z’轴方向上；隐身器件主体1在位于x’y’z’坐标系的第二
象限的部分与隐身器件主体1在位于x’y’z’坐标系的第一象限的部分以y轴对称，隐身器件
主体1在位于x’y’z’坐标系的第三象限的部分及隐身器件主体1在位于x’y’z’坐标系的第
四象限的部分与隐身器件主体1在位于x’y’z’坐标系的第二象限的部分及隐身器件主体1
在位于x’y’z’坐标系的第一象限的部分以x轴对称；隐身器件主体1在位于x’y’z’坐标系的
第一象限的部分中的金属十字阵列12在xyz坐标系中具体为：xyz坐标系中的z轴方向与x’
y’z’坐标系的z’轴方向重合，xyz坐标系中的x轴方向与x’y’z’坐标系的x’轴方向具有夹角
θ，金属十字阵列12中的多个金属十字121沿x轴方向和y轴方向间隔开排列，且金属十字阵
列12中的金属十字121的两条金属臂1211分别平行于x轴方向和y轴方向。具体地，隐身器件
主体1以x’y’z’坐标系为参考时，外菱形的一对相对的两个顶点处于x’轴方向上，外菱形的
另一对相对的两个顶点处于y’轴方向上，内菱形的一对相对的两个顶点处于x’轴上并与外
菱形的一对相对的两个顶点重合，层状堆叠结构的中心线处在z’轴方向上，每个象限内包
含一个三角形的金属十字阵列12和层状堆叠结构，金属十字121沿x轴方向和y轴方向间隔
开排列。

[0052] 根据本发明第一方面进一步的实施例，夹角θ满足如下公式：

[0053]

[0054] 其中，

[0055] β为隐身器件主体1外部边界与x’轴的夹角；

[0056] α为隐身器件主体1内部边界与x’轴的夹角。

[0057] 可以理解的是，根据变换光学原理，当确定隐身器件主体1内部边界与x’轴的夹角α、隐身器件主体1外部边界与x’轴的夹角β后，需要隐身器件主体1具有特定的各向异性的
介电常数和磁导率，以x’y’z’坐标系的第一象限为例，第一象限内的隐身器件主体1需要各
向异性的电磁参数：x轴方向的磁导率μx、y轴方向的磁导率μy以及z轴方向的介电常数εz，其
中x轴与x'轴夹角为θ，z轴与z'轴重合，θ与β和α满足关系式：

[0058]

[0059] 根据楞次定律和电磁感应定律，处在交变电磁场中的金属十字121中会产生交变电流，从而能在垂直于金属十字121的金属臂1211的两个方向上产生磁谐振，因此利用金属
十字阵列12中平行于y轴方向的金属臂1211来实现x轴方向的磁导率μx，利用金属十字阵列
12中平行于x轴方向的金属臂1211来实现y轴方向的磁导率μy，以及利用第一电介质板113
与第二电介质板114的层状堆叠结构来实现z轴方向的介电常数εz。

[0060] 需要说明的是，每一对金属十字121及其所处长方体区域内的第一电介质板113和第二电介质板114构成了一个金属－介质复合超材料单元13，如图2所示，一个金属－介质
复合超材料单元13的等效磁导率是入射电磁波频率的函数，而等效介电常数在工作频段内
几乎不随频率变化而改变。利用金属十字121的磁谐振特性，调节金属十字阵列12的几何参
数(金属臂1211的长度、金属臂1211的线宽、金属十字阵列12的周期长度等)，使得在某一工
作频段下，金属－介质复合超材料单元13在几个不同方向上的等效磁导率和等效介电常数
同时达到变换光学理论所要求的值，此时隐身介质中的电磁波将绕过隐身区域出射，从而
实现对电磁波的隐身。由于在交变电磁场中，金属十字121内部产生了交变电流，相当于一
个RLC串联谐振回路，该串联回路的等效电感L和等效电容C均与第一电介质板113本身的介
电常数有关，因此，通过调节电场改变第一电介质板113本身的介电常数，可以改变RLC串联
谐振回路的等效电感值与等效电容值，从而改变其对入射电磁波的频率响应特性，达到调
谐其工作频率的目的。

[0061] 需要说明的是，如图4所示，由金属十字阵列12实现的各向异性等效磁导率μx,eff和μy,eff在磁谐振频率处具有洛仑兹线型的色散曲线，由第一电介质板113与第二电介质板114
的层状堆叠结构实现的等效介电常数εz,eff具有几乎非色散的常数值，能够实现一定范围内
的等效磁导率和等效介电常数，并且该超材料结构不同方向上的电磁谐振间不存在耦合，
能够实现对等效电磁参数的精准设计。

[0062] 下面几个具体的例子来描述当隐身器件主体1内部边界与x’轴的夹角α及隐身器件主体1外部边界与x’轴的夹角β变化时，x轴与x'轴夹角θ、x轴方向的磁导率μx、y轴方向的
磁导率μy以及z轴方向的介电常数εz。

[0063] 当β角为60°，α角为30°时，则在第一象限内的隐身器件主体1需要各向异性的电磁参数为：x轴与x’轴夹角θ为39.6°，x轴方向的磁导率μx为2.2154，y轴方向的磁导率μy为
0.4514，z轴方向的介电常数εz为1.5000。

[0064] 当β角为60°，α角为45°时，则在第一象限内的隐身器件主体1需要各向异性的电磁参数为：x轴与x’轴夹角θ为47.6°，x轴方向的磁导率μx为4.9528，y轴方向的磁导率μy为
0.2019，z轴方向的介电常数εz为2.3660。

[0065] 当β角为45°，α角为30°时，则在第一象限内的隐身器件主体1需要各向异性的电磁参数为：x轴与x’轴夹角θ为28.9度，x轴方向的磁导率μx为3.2717，y轴方向的磁导率μy为
0.3507，z轴方向的介电常数εz为2.3660。

[0066] 根据本发明第一方面进一步的实施例，金属十字阵列12中的金属十字121沿x轴和y轴方向的两条金属臂1211长度不同，金属十字阵列12沿x轴方向和y轴方向的分布周期不
同。具体地，如图2和图3所示，金属十字121沿x轴方向的金属臂1211长度为Lx，金属十字121
沿y轴方向的金属臂1211长度为Ly，金属十字阵列12沿x轴方向的分布周期为金属－介质复
合超材料单元13沿x轴方向的长度Px，金属十字阵列12沿y轴方向的分布周期为金属－介质
复合超材料单元13沿y轴方向的长度Py。

[0067] 根据本发明第一方面再进一步的实施例，位于x’y’z’坐标系的第一象限中的金属十字阵列12中的金属十字121沿xyz坐标系的x轴和y轴方向的周期长度均小于隐身器件
1000工作频率对应的电磁波波长的1/5。可以理解的是，金属十字阵列12沿x轴方向的分布
周期(即周期长度)Px及金属十字阵列12沿y轴方向的分布周期Py均小于隐身器件1000工作
频率对应的电磁波波长的1/5，也就是说，金属－介质复合超材料单元13沿x轴方向的长度
Px及金属－介质复合超材料单元13沿y轴方向的长度Py不同且均小于隐身器件1000工作频
率对应的电磁波波长的1/5，这样，可以满足超材料的等效媒质理论要求，使得金属－介质
复合超材料单元13能够等效为一种均匀媒质，并用等效磁导率和等效介电常数来描述其电
磁特性，由此，可以有效地减少金属十字121对入射电磁波的干扰。

[0068] 需要说明的是，保持金属十字阵列12的几何尺寸、阵列周期以及第一电介质板113和第二电介质板114的厚度不变，将隐身器件主体1的菱形柱状空间111和菱形柱状体112的
面积等比扩大，或增加隐身器件主体1在z轴方向上金属－介质复合超材料单元13的周期个
数，这样，可以增大菱形柱状空间111(即隐身区域)的空间，实现对大尺寸的障碍物的隐身。

[0069] 根据本发明第一方面的一些实施例，第一电介质板113的两侧面上的金属十字阵列12对应地作为正极和负极给第一电介质板113提供直流电场。可以理解的是，第一电介质
板113两侧面的金属十字阵列12通过斜向金属线分别连接在一起，并通过直流偏压线22接
入直流稳压电源21的正极和负极，以向第一电介质板113施加稳定的直流电场，由于第一电
介质板113具有本身的介电常数随所处直流电场的变化而改变的特性，通过直流电压控制
器23控制直流稳压电源21的输出电压，使得第一电介质板113的两侧面上的金属十字阵列
12可以调节第一电介质板113两侧直流电压，即调节第一电介质板113所处的直流电场，从
而改变第一电介质板113的介电常数。

[0070] 本发明第二方面还提出一种电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000的制作方法。

[0071] 根据本发明第二方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000的制作方法，电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000为上述任意一项第一方面实施例中的电
场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000，制作方法包括如下步骤：

[0072] 采用机加工的方式加工出所需几何尺寸的第一电介质板113和第二电介质板114；

[0073] 在第一电介质板113两侧面上加工出金属十字阵列12和斜向金属线，并将第一电介质板113两侧的斜向金属线通过直流偏压线22分别接入直流稳压电源21的正极和负极；

[0074] 将附着有金属十字阵列12和斜向金属线的第一电介质板113与第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构。

[0075] 根据本发明第二方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000的制作方法，选用高介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第一电介质
板113，选用低介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何尺寸的第二电介质
板114；通过印刷电路板、微加工或3D打印等方式在第一电介质板113的两侧加工出所需金
属十字阵列12和斜向金属线，将附着有金属十字阵列12和斜向金属线的第一电介质板113
和和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构，得到隐身器件主体1，多条直流偏压线
22一端分别一一对应地与第一电介质板113两侧的斜向金属线连接，另一端分别接入直流
稳压电源21的正极或负极。由此，电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000制作简单，装
配方便，通过直流电压控制器23控制直流稳压电源21的输出电压，调节第一电介质板113两
侧的直流电压，即调节第一电介质板113所处的电直流场，从而改变第一电介质板113的介
电常数，改变金属十字121的谐振特性，使得金属十字阵列12的等效磁导率色散曲线发生移
动，可以对隐身器件1000的工作频率进行调谐，由此实现对不同频段的电磁波的隐身。

[0076] 下面以一个具体的例子来描述本发明第一方面实施例的电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000。首先选用高介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何
尺寸的第一电介质板113，选用低介电常数的电介质板，通过机加工的方式加工出所需几何
尺寸的第二电介质板114；通过印刷电路板、微加工或3D打印等方式在第一电介质板113的
两侧加工出所需金属十字阵列12和斜向金属线，将附着有金属十字阵列12和斜向金属线的
第一电介质板113和和第二电介质板114交替排列构成层状堆叠结构，得到隐身器件主体1，
直流偏压线22一端分别与第一电介质板113两侧的斜向金属线连接，另一端分别接入直流
稳压电源21的正极和负极。实际工作中，将障碍物放置在电场调控单向金属‑介质复合隐身
器件1000的菱形柱状空间111内，对于平面电磁波发射源3发射的在平面内沿x’方向入射的
平面电磁波4，电场调控单向金属‑介质复合隐身器件1000的隐身效果如图5所示，隐身器件
1000能够控制出射电磁波的等位相面仍为平面且出射电磁波的出射方向与入射电磁波的
入射方向一致，从而实现了对电磁波的隐身。

[0077] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意
性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在
任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0078] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。