CN111638569B - 一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，包括等离子体耦合相位梯度超表面结构，等离子体耦合相位梯度超表面结构包括射频感性耦合等离子体源、相位梯度超表面和闭式透波介质腔，其中，射频感性耦合等离子体源置于闭式透波介质腔中，相位梯度超表面固定于闭式透波介质腔外侧底部。相位梯度超表面为由金属铜板、介质基板、金属单元阵列从下到上依次组成的三层结构，金属单元阵列是由6个宽度相等、高度逐渐增加的H型金属贴片从左向右依次设置形成的金属单元在介质基板上从上到下重复排列而成。解决了现有等离子体吸波结构厚度较大、结构适用性较差而难以满足使用需求的问题，以及电磁波衰减幅度小的问题。

Description

一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构

技术领域

本发明属于有源隐身技术领域，涉及一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构。

背景技术

反隐身雷达技术发展迅速，未来先进装备面对的探测威胁将向超宽频段、多角域方向扩展，降低目标的电磁散射特征成为目前目标电磁散射控制研究的前沿和重点。由于当前外形和材料隐身技术主要针对光学波段，并且外形隐身只能减少重点方向的雷达散射特征，材料隐身的吸波固有属性和厚度要求导致其难以突破宽带隐身，远不能实现宽角度、宽频段的雷达隐身。相比于外形、材料隐身技术，等离子体电磁散射控制技术是基于等离子体对电磁波共振吸收、碰撞衰减等效应的新型有源雷达隐身技术，在解决宽带电磁散射控制问题方面，具有两点显著优势：第一，宽带动态吸波。低温非磁化等离子体的电子密度峰值可在10¹¹至10¹⁵cm^-3量级调控，响应频带能够覆盖P~Ku雷达波段，可通过调节等离子体放电条件改变等离子体电子密度、碰撞频率等特征参数，从而调控其对电磁波的衰减幅度和频带；第二，和电磁波作用机制丰富，等离子体会对电磁波产生折射、反射、吸收、聚/散焦、变频、相移、调制等多种物理效应，在相同的厚度下，对电磁波的吸波效果要显著优于非均匀损耗介质层。

目前等离子体隐身技术已经取得了很大的进展。在针对天线罩、进气道、机翼前缘等重点雷达散射部位的等离子体隐身技术研究中采用了射频感性耦合等离子体（ICP）源，并在L-X频段取得了衰减效果。但在传统的等离子体隐身技术中，等离子体厚度较大、结构适用性较差。强散射部位的结构特征和吸波需求，对感性等离子体源的厚度、壁面材料、放电条件提出了限定。对于飞行器来说，射频等离子体的放电腔越薄越有利于在机翼前缘、雷达舱等强散射部位的安装使用，但是薄层透波腔结构会对等离子体放电特性产生影响，同时，等离子体厚度的减小会降低雷达波在等离子体中的作用距离，进而电磁波衰减幅度也会减小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，以解决现有等离子体吸波结构厚度较大、结构适用性较差而难以满足使用需求的问题，以及现有薄层等离子体吸波结构的电磁波衰减幅度小的问题。

本发明实施例所采用的技术方案是，一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，包括等离子体耦合相位梯度超表面结构，等离子体耦合相位梯度超表面结构包括射频感性耦合等离子体源、相位梯度超表面和闭式透波介质腔，其中，射频感性耦合等离子体源置于闭式透波介质腔中，相位梯度超表面固定于闭式透波介质腔外侧底部。

进一步的，所述相位梯度超表面为由金属铜板、介质基板、金属单元阵列从下到上依次组成的三层结构，金属单元阵列是由6个宽度相等、高度逐渐增加的H型金属贴片从左向右依次设置形成的金属单元在介质基板上从上到下重复排列而成。

进一步的，每个所述H型金属贴片的宽度为4.6mm，其竖向金属贴片的宽度为0.8mm，其两个竖向金属贴片间隔宽度为3.0mm，其横向金属贴片的宽度为0.8mm；每个金属单元的6个H型金属贴片的高度从左向右依次为1.5mm、3.38mm、3.79mm、4.06mm、4.42mm、5.5mm。

进一步的，每个所述金属单元的6个H型金属贴片的横向金属贴片位于同一直线上，且每个金属单元中左右相邻的两个H型金属贴片的间隔均相等；每个金属单元的宽度为H型金属贴片的宽度和右相邻的两个H型金属贴片的间隔之和。

进一步的，所述金属单元中左右相邻的两个H型金属贴片的间隔为3.4mm，每个金属单元的宽度为8mm。

进一步的，所述介质基板采用介电常数为4.5、介质损耗角正切值为0.025、厚度为1.85mm的FR4介质板。

进一步的，所述闭式透波介质腔为采用全石英玻璃工艺制作的圆柱体结构，其径向直径为40cm，其厚度即圆柱体结构的高度为2cm。

进一步的，所述射频感性耦合等离子体源由电源系统、真空系统和气氛系统配合激发产生。

进一部的，所述电源系统包括线圈天线、匹配器、射频电源和水冷循环系统；

所述射频电源与匹配器的输入端连接，匹配器的输出端与线圈天线连接；

所述线圈天线为采用空心黄铜管绕制而成的匝数为3的螺旋型线圈，水冷循环系统通过绝缘橡胶管与线圈天线内部连通；

所述真空系统包括真空泵、真空计和第一真空阀，真空泵依次经第一真空阀和真空计与闭式透波介质腔内部连通；

所述气氛系统包括氩气供应装置、氧气供应装置和质量流量计，氩气供应装置和氧气供应装置均与质量流量计的输入端连通，质量流量计的输出端与闭式透波介质腔内部连通，且质量流量计与闭式透波介质腔之间设有第二真空阀。

进一步的，所述射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构的吸波带宽为2-18GHz。

本发明实施例的有益效果是，提出一种电磁波衰减特性动态可调的薄层等离子体耦合相位梯度超表面吸波结构，具有薄层化、吸波参数动态可调等优点。利用等离子体作为主要的低频吸波介质，通过改变电源功率、工作气压、气体混合比例等外部放电条件调控等离子体的有效吸波频段和衰减率，实现不同频段的宽频吸波效果；通过相位梯度超表面结构干预电磁波的反射波矢量形成异常反射效果，提升电磁波在薄层射频感性耦合等离子体中的作用距离，提升宽频吸波效果。有效解决了现有等离子体吸波结构厚度较大、结构适用性较差而难以满足使用需求的问题，以及现有薄层等离子体吸波结构的电磁波衰减幅度小的问题。

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是本发明实施例的射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构的结构示意图。

图2是本发明实施例的相位梯度超表面的结构示意图。

图3是本发明实施例的H型金属贴片的结构示意图。

图4是本发明实施例的6个不同尺寸的H型金属贴片组成的金属单元的结构示意图。

图5是本发明实施例选取的6个不同尺寸的H型金属贴片组成的金属单元的相位图。

图6是本发明实施例的相位梯度超表面的金属单元阵列的结构示意图。

图7是本发明实施例的射频感性耦合等离子体叠加梯度超表面吸波结构的吸波效果测试系统示意图。

图8是本发明实施例的吸波结构与等离子体吸波结构的反射率测量结果对比曲线图。

图中，1.等离子体耦合相位梯度超表面结构，2.射频感性耦合等离子体源，3.相位梯度超表面，4.闭式透波介质腔，5.线圈天线，6.质量流量计，7.匹配器，8.真空泵，9.射频电源，11.真空计，12.第一真空阀。

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，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。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明实施例提供一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，如图1所示，包括等离子体耦合相位梯度超表面结构1，等离子体耦合相位梯度超表面结构1包括射频感性耦合等离子体源2、相位梯度超表面3和闭式透波介质腔4，其中，射频感性耦合等离子体源2置于闭式透波介质腔4中，相位梯度超表面3固定于闭式透波介质腔4外侧底部，射频感性耦合等离子体源2由电源系统、真空系统和气氛系统共同激发产生。将相位梯度超表面3固定于闭式透波介质腔4外侧底部，电磁波首先进入射频感性耦合等离子体源2，然后到达相位梯度超表面3，经相位梯度超表面3异常反射后，电磁波以较大的发射角再次进入射频感性耦合等离子体源2，从而增加了电磁波在射频感性耦合等离子体源2中的作用距离。

如图2所示，相位梯度超表面3为由金属铜板、介质基板、金属单元阵列从下到上依次组成的三层结构，本实施例采用介电常数εr=4.5、介质损耗角正切值即tanδ=0.025、厚度为1.85mm的FR4介质板，金属单元阵列是由几何参数呈周期变化的6个H型金属贴片从左向右依次设置形成的金属单元从上到下依次重复排列而成，6个H型金属贴片的宽度均相等、高度逐渐增加。具体的，每个H型金属贴片的宽度w4为4.6mm，其竖向金属贴片的宽度w1为0.8mm，其两个竖向金属贴片间隔宽度w2为3.0mm，其横向金属贴片的宽度w3为0.8mm，且组成金属单元的6个H型金属贴片的横向金属贴片位于同一直线上，左右相邻的两个H型金属贴片间隔3.4mm。6个H型金属贴片的高度m依次为1.5mm、3.38mm、3.79mm、4.06mm、4.42mm、5.5mm。通过高度设置，改变每个金属贴片的相位响应，6个H型金属贴片构成了2π的相位差，从而实现相位梯度超表面3的异常反射功能，如图5所示，金属单元阵列的排列方式如图6所示。

本实施例的相位梯度超表面3采用微波基板制作，在双面镀金属的微波基板的其中一面周期性刻蚀由6个宽度相等、高度逐渐增加的H型金属贴片构成的金属单元，金属单元之间不存在电连接，可自由分割和拼装，使得金属单元之间的电磁响应相互独立。相位梯度超表面3能实现2π的相位梯度，从而改变电磁波的传播方向，增大电磁波在射频感性耦合等离子体源2中的作用距离。

闭式透波介质腔4为圆柱体结构，采用全石英玻璃工艺制作以实现电磁波的无损传播，其径向直径40cm，厚度为2cm，其厚度过大，影响结构适应性、增大重量，不方便应用；厚度过小，吸波效果不佳。

电源系统包括线圈天线5、匹配器7、射频电源9和水冷循环系统，本发明实施例的线圈天线5采用螺旋形线圈天线，其匝数为三匝。线圈天线5套设在闭式透波介质腔4外侧壁上，用于激发等离子体。射频电源9输出端与匹配器7的输入端连接，匹配器7的输出端经铜板传输线与线圈天线5连接。

真空系统包括真空泵8、真空计11和第一真空阀12，本实施例的真空计11采用薄膜真空计或电阻真空计，真空泵8依次经第一真空阀12和真空计11与闭式透波介质腔4内部连通，对闭式透波介质腔4进行抽真空，第一真空阀12用于控制真空系统的开关，可采用真空球阀，真空计11用于显示闭式透波介质腔4中的真空度。

气氛系统包括氩气供应装置、氧气供应装置和质量流量计6，氩气供应装置和氧气供应装置均与质量流量计6的输入端连通，质量流量计6的输出端与闭式透波介质腔4内部连通，用于为闭式透波介质腔4内提供氧气和氩气的混合气体。质量流量计6与闭式透波介质腔4之间设有第二真空阀，第二真空阀用于连通或断开质量流量计6与闭式透波介质腔4。

氧气为电正性气体，氩气为电负性气体，两种气体均可激发产生等离子体，通过混合比例的不同，可以对等离子体的参数分布进行调节，从而实现对吸波频段、吸波幅度的调控。

电源系统中，射频电源9的输出额定功率为1000W(50Ω)，工作频率为13.56 MHz±0.005%，二次谐波输出<-40dB，寄生调制<1%，在功率源即射频电源9和负载即线圈天线5之间采取匹配器7以调节射频电源9的前向功率和反射功率，防止反射功率过大而烧坏射频电源9。线圈天线5为螺旋型线圈，采用直径为8 mm的空心黄铜管绕制而成，匝数为3匝，线圈天线5的线圈直径为20cm，其内部通过绝缘橡胶管连接水冷循环系统降低线圈天线5的温度，水冷循环系统的绝缘橡胶管插在线圈天线5的接口处。

气氛系统中，工质气体为氩气和氧气，通过质量流量计6控制氧气在氩气中的混合比例，通过真空计11、真空泵8和第一真空阀12对放电腔体即闭式透波介质腔4的气压在50mTorr至大气压进行调控。

基于本发明实施例的射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，通过射频电源9改变电源功率，通过真空泵8调节工作气压，通过质量流量计6控制气体混合比例可以改变射频感性耦合等离子体源2激发的等离子体密度和碰撞频率，从而实现射频感性耦合等离子体源2对电磁波吸波带宽和衰减率的调控，能够增加对电磁波的吸波幅值和吸波带宽，实现2-18GHz内宽带吸波。

本发明实施例的吸波效果可结合以下实验测量结果进行说明，实验示意图如图7所示，包括小型微波暗室、矢量网络分析仪、两个喇叭天线，将射频感性耦合等离子体源2固定在测量台的中心位置，同时在测量台的前方放置一对用于发射和接收电磁波的喇叭天线，两个喇叭的中心和射频感性耦合等离子体源2的中心保持在相同高度，并分别连接到矢量网络分析仪的两个端口，具体包括如下步骤：

步骤S1：通过气氛系统向闭式透波介质腔4中充入氩气和氧气的混合气体，气压为10Pa，将电极分别接在闭式透波介质腔4外侧的线圈天线5上并给线圈天线5通13.56MHz的射频电源，射频电源的功率为500W，激发薄层的闭式透波腔体4产生等离子体。

步骤S2：频段为2~18Ghz的电磁波信号由矢量网络分析仪端口输出，首先经过功率放大器进行放大，然后通过喇叭天线发射至等离子体源；

步骤S3：回波信号由射频感性耦合等离子体源2背面的金属反射板返回至中轴对称线另一侧的喇叭天线接收，并送往矢量网络分析仪接收端，获得等离子源对电磁波的衰减率。

步骤S4：将金属反射板替换为相位梯度超表面3，重复步骤S1和S2，回波信号由相位梯度超表面3返回至中轴对称线另一侧的天线接收，并送往矢量网络分析仪接收端，获得等离子源耦合相位梯度超表面对电磁波的衰减率。

步骤S5：将步骤S3和步骤S4所得结果进行对比，如图8所示，添加相位梯度超表面3后，吸波幅值和吸收带宽均明显增加，最大衰减率超过-40dB，衰减率低于-5dB的频段包括0.53GHz~1.07GHz，1.66GHz~3.74GHz，6.6GHz~11.38GHz以及11.53GHz~12.08GHz，证明相位梯度超表面3可以有效提升等离子体对电磁波的衰减效果。尤其是对于薄层且电子密度分布不均匀的等离子体，相位梯度超表面3可以有效增加电磁波在等离子体中的传播距离，从而增强等离子体对电磁波的衰减效果。但是由于相位梯度超表面3的工作带宽限制，在低频段的衰减率降低效果不明显，而在其有效工作的6~12GHz范围内，平均衰减率从-5dB降低到-15dB。这样的结果间接证明了等离子体作为衰减电磁波的主要介质，在吸波带宽上具有明显的优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，其特征在于，包括等离子体耦合相位梯度超表面结构(1)，等离子体耦合相位梯度超表面结构(1)包括射频感性耦合等离子体源(2)、相位梯度超表面(3)和闭式透波介质腔(4)，其中，射频感性耦合等离子体源(2)置于闭式透波介质腔(4)中，相位梯度超表面(3)固定于闭式透波介质腔(4)外侧底部，闭式透波介质腔(4)外侧壁上套设线圈天线(5)；

所述相位梯度超表面(3)为由金属铜板、介质基板、金属单元阵列从下到上依次组成的三层结构，金属单元阵列是由6个宽度相等、高度逐渐增加的H型金属贴片从左向右依次设置形成的金属单元在介质基板上从上到下重复排列而成；

每个所述H型金属贴片的宽度为4.6mm，其竖向金属贴片的宽度为0.8mm，其两个竖向金属贴片间隔宽度为3.0mm，其横向金属贴片的宽度为0.8mm；每个金属单元的6个H型金属贴片的高度从左向右依次为1.5mm、3.38mm、3.79mm、4.06mm、4.42mm、5.5mm；左右相邻的两个H型金属贴片的间隔为3.4mm；

所述闭式透波介质腔(4)的厚度为2cm；

所述射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构的吸波带宽为2-18GHz。

2.根据权利要求1所述的一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，其特征在于，每个所述金属单元的6个H型金属贴片的横向金属贴片位于同一直线上，且每个金属单元中左右相邻的两个H型金属贴片的间隔均相等；每个金属单元的宽度为6个H型金属贴片的宽度和6个H型金属贴片之间的间隔之和。

3.根据权利要求1所述的一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，其特征在于，所述介质基板采用介电常数为4.5、介质损耗角正切值为0.025、厚度为1.85mm的FR4介质板。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，其特征在于，所述闭式透波介质腔(4)为采用全石英玻璃工艺制作的圆柱体结构，其径向直径为40cm。

5.根据权利要求1～3任一项所述的一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，其特征在于，所述射频感性耦合等离子体源(2)由电源系统、真空系统和气氛系统配合激发产生。

6.根据权利要求5所述的一种射频感性耦合等离子体叠加相位梯度超表面吸波结构，其特征在于，所述电源系统包括线圈天线(5)、匹配器(7)、射频电源(9)和水冷循环系统；

所述射频电源(9)与匹配器(7)的输入端连接，匹配器(7)的输出端与线圈天线(5)连接；

所述线圈天线(5)为采用空心黄铜管绕制而成的匝数为3的螺旋型线圈，水冷循环系统通过绝缘橡胶管与线圈天线(5)内部连通；

所述真空系统包括真空泵(8)、真空计(11)和第一真空阀(12)，真空泵(8)依次经第一真空阀(12)和真空计(11)与闭式透波介质腔(4)内部连通；

所述气氛系统包括氩气供应装置、氧气供应装置和质量流量计(6)，氩气供应装置和氧气供应装置均与质量流量计(6)的输入端连通，质量流量计(6)的输出端与闭式透波介质腔(4)内部连通，且质量流量计(6)与闭式透波介质腔(4)之间设有第二真空阀。

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