CN107658571B - 应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料 - Google Patents

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    • H01Q17/008—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems with a particular shape

Abstract

本发明公开了一种应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，涉及雷达隐身和新型人工电磁材料技术领域，包括多个周期性的单元结构，单元结构包括上层导电薄膜层、介质基板和金属反射背板，上层导电薄膜层位于介质基层上表面，多个单元结构为对称结构，保证对电磁波表现为极化不敏感特性；吸波超材料在空间上排布呈现对称破缺特性，其排布方式由编码超材料特性决定。本发明可实现6.5‑20GHz范围内10dB以上RCS缩减效果，尤其是在9‑20GHz范围内，目标RCS缩减效果优于单纯使用所述周期性排布的吸波材料。编码吸波超材料在目标RCS缩减上优于传统编码超材料和吸波材料，并且具有工艺简单，结构功能一体化，面密度小，可在目标隐身等领域发挥重要作用。

Description

应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料
技术领域
本发明涉及雷达隐身和新型人工电磁材料技术领域，特别是涉及一种宽带雷达散射截面缩减的编码吸波超材料，可用于编码超材料的工程化设计和应用，应用范围涉及隐身、雷达探测和电磁散射。
背景技术
雷达隐身的方法是采用各种方法来减小目标的雷达散射截面(RCS)，传统的RCS缩减方法包括两大类：一类是借助吸波材料，将电磁波吸收转换为热能，从而达到RCS缩减的目的，但在实际应用中，该方法受限于吸波材料性能(带宽和吸收强度等)和其重量、体积等；另一类为控制目标散射，通过外形设计、有源对消和无源对消等方法，将电磁波能量再分配，从而减少电磁波来向的RCS，但这种方法在减少一个方向或一定角度范围内RCS的同时，带来的是其他方向RCS的增加。
发明内容
本发明实施例提供了应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，可以解决现有技术中存在的问题。
一种应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，包括多个周期性的单元结构，所述单元结构包括上层导电薄膜层、介质基板和金属反射背板，所述上层导电薄膜层位于介质基板上表面，其结构、尺寸和方阻均通过拓扑优化设计实现，多个所述单元结构成旋转对称结构，构成所述编码吸波超材料。
优选地，每个所述单元结构的上层导电薄膜层分为多个编码单元，编码单元分为两类，一类的上层导电薄膜层为空白或金属，称为编码单元“0”，另一类的上层导电薄膜层为电阻膜、氧化铟锡、氧化锌铝薄膜中的一种或几种，称为编码单元“1”，其加工工艺为光刻、印刷电路板、丝网印刷、激光刻蚀或化学腐蚀方法。
优选地，所述介质基板起到结构功能一体化设计作用，包括聚苯乙烯在内的泡沫和印刷电路板用FR4损耗型介质。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：相对于现有技术，本发明可以实现结构一体化设计，原材料和加工艺相对简单，通过改变介质基板可以实现共形，在实际应用中可以实现目标结构一体化设计要求。本发明具有宽带特性，在6.5-20GHz范围内实现10dB以上RCS缩减效果，尤其是在9-20GHz范围内，目标RCS缩减效果优于单纯使用所述周期性排布的吸波材料，其比传统吸波材料更薄、更轻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是编码吸波材料的结构示意图；
图2是RCS缩减效果随编码反射相位差和占空比变化图；
图3是编码单元“0”和“1”的反射相位及幅度特性仿真结果；
图4是经过拓扑优化设计的具有宽带吸波性能的编码吸波材料结构示意图；
图5是远场后向散射数值计算结果对比图，(a1)和(a2)分别为金属板三维和二维后向散射图；(b1)和(b2)分别为传统编码超材料三维和二维后向散射图；(c1)和(c2)分别为传统吸波超材料三维和二维后向散射图；(d1)和(d2)分别为本发明编码波超材料三维和二维后向散射图；
图6是远场后向散射仿真结果对比图，(a)金属板三维后向散射图；(b)传统吸波超材料三维后向散射图；(c)编码吸波超材料三维后向散射图；
图7是法向RCS仿真对比图；
图8是实验测试图，(a)样品照片；(b)RCS测试环境照片；(c)测试法向RCS缩减对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明实施例中提供了应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，包括多个周期性的单元结构，所述单元结构包括上层导电薄膜层、介质基板和金属反射背板，所述上层导电薄膜层位于介质基板上表面，其结构、尺寸和方阻均通过拓扑优化设计实现。所述介质基板起到结构功能一体化设计作用，包括聚苯乙烯在内的泡沫和印刷电路板用FR4等损耗型介质。每个所述单元结构的上层导电薄膜层分为多个编码单元，编码单元分为两类，一类的上层导电薄膜层为空白或金属，称为编码单元“0”，另一类的上层导电薄膜层为电阻膜、氧化铟锡、氧化锌铝薄膜中的一种或几种，称为编码单元“1”。其加工工艺为光刻、印刷电路板、丝网印刷、激光刻蚀或化学腐蚀方法。编码单元“0”和编码单元“1”分别具有P0和P1相位，A0和A1幅度。二者组成了M×N矩阵，即一个单元结构，编码单元之间间隔为d。通过设计矩阵中编码单元“0”和“1”的数量和排布就可以实现远场散射图的调控。当编码单元“0”和“1”的占空比为ratio＝number("0")/number("1")时，法向方向RCS缩减可以通过数值计算公式
Figure GDA0002590426520000041
计算得到。
参照图2，(a)为编码单元“0”和“1”A0＝1,A1＝1幅度时；(b)为编码单元“0”和“1”A0＝1,A1＝0.5幅度时；(c)为编码单元“0”和“1”A0＝1,A1＝0.2幅度时；(d)为编码单元“0”和“1”A0＝1,A1＝0.1幅度时。从图2中的(a)中可以看出当编码单元无吸收时，即传统编码超材料时，法向RCS缩减在占空比为1时，即经典棋盘结构时，编码单元“0”和“1”之间相位差应保持在180±37度。从图2中可以看出，随着编码单元“1”的吸收率增加时((a)-(d)变化)，由于吸波效应，RCS缩减10dB的相位条件变得宽松。
参照图3，从图中可知，吸波超材料在6.7-20GHz范围内可以实现90％以上的吸收率。
通过拓扑优化设计，可以设计实现具有宽带吸波性能的吸波超材料，如图4所示，该吸波超材料由具有一定方阻的导电薄膜实现，最优化的设计为6.7-20GHz范围内，吸收率大于90％。优化设计后的吸波超材料由多个绕中心逆时针旋转的单元结构组成，这种旋转对称结构设计保证对电磁波表现为极化不敏感特性；所述吸波超材料在空间上排布呈现对称破缺特性，其排布方式由编码超材料特性决定。
参照图5，根据天线阵列因子计算公式，按照叠加的原则，在不考虑边缘散射的条件下，可以计算远场散射图，分别显示在图5中(a1)-(d2)。从图中可知，传统编码超材料通过编码设计可以实现RCS缩减，这是一种类似漫反射的方式；图5中(c1)和(c2)显示，吸波超材料由于吸收特性，可以实现RCS缩减；图5中(d1)和(d2)，即本发明的编码吸波超材料，可以同时实现吸波超材料和编码超材料两种特性，RCS缩减效果优于二者。
为了验证设计的可行性，借助全波电磁仿真软件，仿真了金属板、吸波超材料和编码吸波超材料的远场散射图，从图6中可知，编码吸波超材料的RCS缩减效果要优于吸波超材料；法向RCS，相对于金属板而言，编码吸波超材料可以实现11.75dBm2的缩减效果。
参照图7，编码吸波超材料可以实现6.5-20GHz范围内10dB以上RCS缩减效果，尤其是在9-20GHz范围内，目标RCS缩减效果优于单纯使用所述周期性排布的吸波材料。
通过丝网印刷技术制备上层导电薄膜，介质基板采用泡沫，图8分别给出了样品照片和测试环境的照片，在微波暗室中对实验样品进行测定，图8中(c)显示了测试的金属板和编码吸波超材料的法向RCS值，结果显示，在宽频带范围内，RCS缩减超过10dB。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，其特征在于，包括多个周期性的单元结构，所述单元结构包括上层导电薄膜层、介质基板和金属反射背板，所述上层导电薄膜层位于介质基板上表面，其结构、尺寸和方阻均通过拓扑优化设计实现，多个所述单元结构成旋转对称结构，构成所述编码吸波超材料；
每个所述单元结构的上层导电薄膜层分为多个编码单元，编码单元分为两类，一类的上层导电薄膜层为空白，称为编码单元“0”，另一类的上层导电薄膜层为电阻膜、氧化铟锡、氧化锌铝薄膜中的一种或几种，称为编码单元“1”。
2.如权利要求1所述的应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，其特征在于，编码单元“1”的上层导电薄膜层加工工艺为光刻、印刷电路板、丝网印刷、激光刻蚀或化学腐蚀方法。
3.如权利要求1所述的应用于宽带雷达反射截面缩减的编码吸波超材料，其特征在于，所述介质基板起到结构功能一体化设计作用，包括聚苯乙烯在内的泡沫和印刷电路板用FR4损耗型介质。
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