CN111585041B - 一种雷达/红外兼容隐身超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雷达/红外兼容隐身超表面，属于新型人工电磁材料技术领域，包括自下而上依次设置的导电反射层、介质层和导体薄膜功能层；所述导体薄膜功能层为贴片大单元Ⅰ和贴片大单元Ⅱ的M×M阵列结构；所述贴片大单元Ⅰ是由贴片小单元Ⅰ构成的n1×n1的阵列结构，所述贴片大单元Ⅱ是由贴片小单元Ⅱ构成的n2×n2的阵列结构；其中，M为偶数；贴片大单元Ⅰ和贴片大单元Ⅱ尺寸相同，且数量相等；贴片小单元Ⅰ和贴片小单元Ⅱ尺寸不同；本发明由导电反射层‑介质层‑导体薄膜功能层三明治结构组成，结构简单，只需1层人工结构单元阵列即可使上述结构同时实现雷达与红外隐身的兼容。
Description
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及一种雷达/红外兼容隐身超表面。
背景技术
吸波材料是实现雷达隐身的主要技术途径之一，但是其通过电磁波吸收减少雷达回波，与红外低发射隐身机理互相矛盾，因此实现雷达与红外兼容隐身一直是隐身技术领域关注的重点。传统的做法是在吸波材料表面喷涂一层红外低发射率涂层，但是往往会导致雷达吸波性能的下降。随着新型人工电磁材料的发展，通过人工结构单元的可设计性及其频率选择特性，可以较好的解决传统技术存在的不足。例如，中国发明专利CN201110052236.6、CN201610837738.2，CN201610330732.6、CN201610479707.4、CN201310078127.0等分别公开了几种基于新型人工电磁材料设计的雷达与红外兼容隐身材料，但是均采用雷达吸波功能层与红外低发射功能层的复合设计，至少包括5层结构，结构复杂、成本高，且采用的雷达吸波隐身机制容易造成能量聚集，产生明显的热效应，红外辐射增强，尤其不适用于高功率工况。因此，研究开发结构简单、性能可靠的雷达/红外兼容隐身材料具有重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中雷达与红外兼容隐身材料结构复杂且性能差的问题，本发明提供了一种雷达/红外兼容隐身超表面，该雷达/红外兼容隐身超表面由导电反射层-介质层-导体薄膜功能层三明治结构组成，结构简单，只需1层人工结构单元阵列即可使上述结构同时实现雷达与红外隐身的兼容。
本发明的技术方案具体为：
一种雷达/红外兼容隐身超表面，包括自下而上依次设置的导电反射层、介质层和导体薄膜功能层；
所述导体薄膜功能层为贴片大单元Ⅰ和贴片大单元Ⅱ随机排列构成的M×M阵列结构；
所述贴片大单元Ⅰ是由贴片小单元Ⅰ构成的n1×n1的阵列结构，所述贴片大单元Ⅱ是由贴片小单元Ⅱ构成的n2×n2的阵列结构；
其中，M为偶数；贴片大单元Ⅰ和贴片大单元Ⅱ尺寸相同，且数量相等；贴片小单元Ⅰ和贴片小单元Ⅱ尺寸不同。
优选地，所述贴片小单元Ⅰ为边长0.7～6.3mm的正方形贴片，所述贴片小单元Ⅱ为边长0.7～6.3mm的正方形贴片，且贴片小单元Ⅰ的边长≠贴片小单元Ⅱ的边长。
优选地，所述n1是≥3的整数，n2是≥3的整数，且n1≠n2。
优选地，相邻的两个所述贴片小单元Ⅰ之间的间隙、相邻的两个贴片小单元Ⅱ之间的间隙、相邻的贴片小单元Ⅰ和贴片小单元Ⅱ之间的间隙均相等，为0.15～0.2mm。
优选地，所述贴片小单元Ⅰ和贴片小单元Ⅱ的厚度均为0.01～0.02mm。
优选地，所述导体薄膜功能层为金属、合金或导电化合物。
优选地，所述导体薄膜功能层由印制电路板工艺、丝网印刷工艺、激光刻蚀工艺或喷墨打印工艺制成。
优选地，所述介质层的相对介电常数实部为1～10，损耗正切值为0.001～0.5。
优选地，所述介质层的厚度为1.5～3.8mm。
优选地，所述导电反射层为金属导电材料，厚度为0.01～0.02mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面由导电反射层-介质层-导体薄膜功能层三明治结构组成，只需1层人工结构单元阵列即可同时实现雷达与红外隐身的兼容设计，而传统隐身材料往往是通过多层(至少5层)复合设计实现，因而本发明具有结构简单、成本低的优势；
(2)本发明的雷达/红外兼容隐身超表面具有宽带特性，且厚度小，因此具有较佳的带宽厚度比，具有良好的雷达与红外兼容隐身性能；
(3)本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面对原材料的要求低，可用材料范围广，有利于适用于各种复杂环境；
(4)本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面的机制是通过人工微结构实现了电磁散射，从而减少雷达回波，与传统的吸波隐身相比，可有效避免由于能量聚集导致的热效应，恶化红外辐射抑制效果，因而本发明也适用于高功率工况；
(5)本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面可设计为非周期结构(两种贴片大单元排列方式不做限制)，从而有利于抑制传统周期结构中必然存在的栅瓣效应，提高了在工程应用中的优势。
附图说明
图1为本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面结构示意图；
其中，(a)为雷达/红外兼容隐身超表面截面图；(b)为导体薄膜功能层表面结构示意图；(c)为贴片大单元Ⅰ和贴片大单元Ⅱ表面结构示意图；(d)为贴片小单元Ⅰ与导电反射层、介质层结构关系图；
图2是本发明实施例1雷达/红外兼容隐身超表面光学图片；
图3是本发明实施例2雷达/红外兼容隐身超表面光学图片；
图4是本发明实施例1雷达/红外兼容隐身超表面的反射率曲线；
图5是本发明实施例2雷达/红外兼容隐身超表面的反射率曲线。
附图标记说明：
1、导电反射层；2、介质层；3、导体薄膜功能层；31、贴片大单元Ⅰ，311、贴片小单元Ⅰ，32、贴片大单元Ⅱ，321、贴片小单元Ⅱ。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种雷达/红外兼容隐身超表面，如图1(a)所示，包括自下而上依次设置的导电反射层1、介质层2和导体薄膜功能层3；
如图1(b)所示，所述导体薄膜功能层3为贴片大单元Ⅰ31和贴片大单元Ⅱ32随机排列构成的M×M阵列结构；
如图1(c)和图1(d)所示，所述贴片大单元Ⅰ31是由贴片小单元Ⅰ311构成的n1×n1的阵列结构，所述贴片大单元Ⅱ32是由贴片小单元Ⅱ321构成的n2×n2的阵列结构；
其中，M为偶数；贴片大单元Ⅰ31和贴片大单元Ⅱ32尺寸相同，且数量相等；贴片小单元Ⅰ311和贴片小单元Ⅱ321尺寸不同。
下面通过下述实施例来具体说明本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面。
实施例1
一种雷达/红外兼容隐身超表面，从导电金属铜反射层1开始，从下至上，依次包括FR4介质层2和导体薄膜功能层3，导电金属铜反射层1厚度为0.02mm，FR4介质层的厚度为1.5mm，相对介电常数实部为10，损耗正切值为0.2，导体薄膜功能层为金属铜膜，由数量相等(各18个)且尺寸相同的贴片大单元Ⅰ31和贴片大单元Ⅱ32按照棋盘状结构排成6×6阵列结构；贴片大单元Ⅰ31由尺寸为1.05mm的贴片小单元Ⅰ311排布成26×26结构，贴片大单元Ⅱ32由尺寸为2.97mm的贴片小单元Ⅱ321排布成10×10结构，贴片小单元Ⅰ311和贴片小单元Ⅱ321的厚度均为0.02mm，相邻的两个贴片小单元Ⅰ311之间的间隙、相邻的两个贴片小单元Ⅱ321之间的间隙、相邻的贴片小单元Ⅰ311和贴片小单元Ⅱ321之间的间隙相等，且均为0.15mm。
按照上述设计参数，采用印制电路板工艺制备了雷达/红外兼容隐身超表面(如图2所示)；检测上述雷达/红外兼容隐身超表面的反射率，反射率曲线如图4所示，由图4可得，在9.1～15.5GHz频带内的反射率均小于-10dB，表现出宽带雷达隐身性能，采用傅里叶红外光谱仪测量了雷达/红外兼容隐身超表面在3-14μm波段范围的红外发射率，在整个测试波段红外发射率均小于0.27，可有效抑制红外辐射，且由于达/红外兼容隐身超表面的厚度较小(1.5mm)，具有较佳的带宽厚度比，因此本发明具有良好的雷达与红外兼容隐身性能。
实施例2
一种雷达/红外兼容隐身超表面，从导电金属铜反射层1开始，从下至上，依次包括FR4介质层2和导体薄膜功能层3，导电金属铜反射层1厚度为0.02mm，FR4介质层的厚度为3.8mm，相对介电常数实部为5，损耗正切值为0.001，导体薄膜功能层为金属铜膜，由数量相等(各18个)且尺寸相同的贴片大单元Ⅰ31和贴片大单元Ⅱ32按照棋盘状结构排成6×6阵列结构；贴片大单元Ⅰ31由尺寸为0.7mm的贴片小单元Ⅰ311排布成56×56结构，贴片大单元Ⅱ32由尺寸为6.3mm的贴片小单元Ⅱ321排布成8×8结构，贴片小单元Ⅰ311和贴片小单元Ⅱ321的厚度均为0.02mm，相邻的贴片小单元Ⅰ311之间的间隙、相邻的贴片小单元Ⅱ321之间的间隙、相邻的贴片小单元Ⅰ311和贴片小单元Ⅱ321之间的间隙相等，且均为0.2mm。
按照上述设计参数，采用激光刻蚀工艺制备了雷达/红外兼容隐身超表面(如图3所示)；实施例2的雷达/红外兼容隐身超表面的反射率曲线如图5所示，在4.9～11.5GHz频带内的反射率均小于-9dB，表现出宽带雷达隐身性能，在3-14μm波段范围的红外发射率小于0.35，可有效抑制红外辐射，且由于达/红外兼容隐身超表面的厚度较小(3.8mm)，具有较佳的带宽厚度比，因此具有良好的雷达与红外兼容隐身性能。
综上所述，本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面由导电反射层-介质层-导体薄膜功能层三明治结构组成，只需1层人工结构单元阵列即可同时实现雷达与红外隐身的兼容设计，而传统隐身材料往往是通过多层(至少5层)复合设计实现，因而本发明具有结构简单、制备方便、成本低的优势；雷达/红外兼容隐身超表面机制是通过电磁散射减少雷达回波，与传统的吸波隐身相比，可有效避免由于能量聚集导致的热效应，恶化红外辐射抑制效果，因而本发明也适用于高功率工况；另外，本发明提供的雷达/红外兼容隐身超表面可设计为非周期结构(两种贴片大单元排列方式不做限制)，从而有利于抑制传统周期结构中必然存在的栅瓣效应，提高了在工程应用中的优势。
尽管已描述了本发明的实施例，但本领域内的技术人员一旦得知基本原理与方法，则可对这些实施例做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也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，包括自下而上依次设置的导电反射层(1)、介质层(2)和导体薄膜功能层(3)；
所述导体薄膜功能层(3)为贴片大单元Ⅰ(31)和贴片大单元Ⅱ(32)随机排列构成的M×M阵列结构；
所述贴片大单元Ⅰ(31)是由贴片小单元Ⅰ(311)构成的n1×n1的阵列结构，所述贴片大单元Ⅱ(32)是由贴片小单元Ⅱ(321)构成的n2×n2的阵列结构；
其中，M为偶数；贴片大单元Ⅰ(31)和贴片大单元Ⅱ(32)尺寸相同，且数量相等；贴片小单元Ⅰ(311)和贴片小单元Ⅱ(321)尺寸不同；
相邻的两个所述贴片小单元Ⅰ(311)之间的间隙、相邻的两个贴片小单元Ⅱ(321)之间的间隙、相邻的贴片小单元Ⅰ(311)和贴片小单元Ⅱ(321)之间的间隙均相等。
2.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述贴片小单元Ⅰ(311)为边长0.7～6.3mm的正方形贴片，所述贴片小单元Ⅱ(321)为边长0.7～6.3mm的正方形贴片，且贴片小单元Ⅰ(311)的边长≠贴片小单元Ⅱ(321)的边长。
3.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述n1是≥3的整数，n2是≥3的整数，且n1≠n2。
4.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，相邻的两个所述贴片小单元Ⅰ(311)之间的间隙、相邻的两个贴片小单元Ⅱ(321)之间的间隙、相邻的贴片小单元Ⅰ(311)和贴片小单元Ⅱ(321)之间的间隙均为0.15～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述贴片小单元Ⅰ(311)和贴片小单元Ⅱ(321)的厚度均为0.01～0.02mm。
6.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述导体薄膜功能层(3)为金属、合金或导电化合物。
7.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述导体薄膜功能层(3)由印制电路板工艺、丝网印刷工艺、激光刻蚀工艺或喷墨打印工艺制成。
8.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述介质层(2)的相对介电常数实部为1～10，损耗正切值为0.001～0.5。
9.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述介质层(2)的厚度为1.5～3.8mm。
10.根据权利要求1所述的雷达/红外兼容隐身超表面，其特征在于，所述导电反射层(1)为金属导电材料，厚度为0.01～0.02mm。
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