CN111817022B - 一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料，本发明利用透明材料作为介质层，并在介质层两侧设置单层双面超材料结构，利用超材料结构实现阻抗匹配，增加入射波，同时通过超材料结构上下层之间产生耦合，以实现电路损耗，最终得到透光性良好的宽频超薄吸波超材料，从而满足飞行器等可视窗口的需求，另外本发明的宽频超薄吸波超材料可以同时降低吸波材料厚度并提高频率吸收范围。

Description

一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料
技术领域
本发明涉及材料技术领域，特别是涉及一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料。
背景技术
随着超宽带、超视距雷达科技水平的迅猛发展，雷达目标的存活，突防等能力己受到严重的威胁。为了迅速提高雷达目标的低可探测性，人们已就各种目标隐身技术进行了深入探讨和研究。实现隐身的关键就是最大程度地降低 RCS。目前降低RCS主要有三种基本的途径：直接吸收入射波，抵消由目标产生的电磁场和引导入射波绕着目标传播。直接吸收入射电磁波是目标隐身中最基本也是应用最为广泛的方法。吸波材料是具有吸收入射电磁波、降低目标回波强度的一类功能材料。
吸波技术是指以电磁波在介质中的传输线理论为基础，同时应满足吸收电磁波的2个基本要求：一是入射电磁波最大限度地进入材料内部，而不在表面反射，即要求与材料表面阻抗匹配；二是进入材料内部的电磁波能最大限度地被吸收而衰减，即材料的衰减特性。现有研究涉及的传统吸波材料主要有铁氧体、羰基铁、碳材料等，而这些材料共同的缺点是不透明，这就限制了它们在有透光率要求装甲车辆、舰船、飞机座舱等的观察窗口，信息系统显示终端等方面的广泛应用。因此，研制宽频段、可透光的新型吸波材料已成为当前亟待需要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料，以解决现有技术吸波材料不能实现透明设置的问题。
本发明提供了一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料，包括：介质层、第一超材料周期单元和第二超材料周期单元，其中，所述介质层为透明材料，且所述第一超材料周期单元设置在所述介质层的第一平面上，所述第二超材料周期单元设置在所述介质层的第二平面上；
通过所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元改变所述宽频超薄吸波超材料的阻抗匹配特性，使入射到所述宽频超薄吸波超材料的电磁波被吸收，并通过所述第一超材料周期单元与所述第二超材料周期单元之间互相耦合，以对入射到所述宽频超薄吸波超材料的电磁波进行损耗。
可选地，所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元的单元结构形状为开口谐振环、十字型结构、I字型结构或H型，或者是由开口谐振环、十字型结构、I字型结构和H型之间构成的互补结构。
可选地，所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元均为中心对称的超材料单元结构。
可选地，所述第一超材料周期单元内的各个超材料单元结构均为中心对称的两个L型超材料单元结构，所述第二超材料周期单元内的各个超材料单元结构均为中心对称的金属条型超材料单元结构。
可选地，所述第一超材料周期单元的尺寸为8-9mm，所述第一超材料周期单元内的超材料单元结构位于整个周期的中心位置，该超材料单元结构的第一结构臂与第二结构臂的长度均为5.5-6mm，且所述第一结构臂与第二结构臂的宽度均为1-1.5mm。
可选地，所述第二超材料周期单元内的超材料单元结构为条型超材料单元结构，该条型超材料单元结构之间的周期间距为0.2-1mm，且条型超材料单元结构的线宽为8-9mm。
可选地，所述第一超材料周期单元为在第一方阻S1的ITO薄膜上蚀刻关于中心对称的超材料单元结构，且所述第二超材料周期单元为在第二方阻S2的ITO薄膜上蚀刻中心对称的超材料单元结构。
可选地，所述第一方阻值S1与所述第二方阻值S2的范围为2-500Ω/；
且所述介质层的介电常数ε的范围为1-10，损耗角正切值为0.0009-0.025；所述介质层的厚度h的范围为0.1-5mm。
可选地，所述介质层包括玻璃、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸类塑料。
可选地，所述所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元均为石墨烯或ITO薄膜型吸波超材料。
本发明有益效果如下：
本发明利用透明材料作为介质层，并在介质层两侧设置单层双面超材料结构，利用超材料结构实现阻抗匹配，增加入射波，同时通过超材料结构上下层之间产生耦合，以实现电路损耗，最终得到透光性良好的宽频超薄吸波超材料，从而满足飞行器等可视窗口的需求，另外本发明的宽频超薄吸波超材料可以同时降低吸波材料厚度并提高频率吸收范围。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料的侧视图；
图2是本发明第一实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料第一表面的结构示意图；
图3是本发明第一实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料第二表面的结构示意图；
图4a是本发明实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料在第一谐振点时的电流强度分布；
图4b是本发明实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料在第二谐振点时的电流强度分布；
图5是本发明实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料的实物图；
图6是本发明实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料的吸波特性测试结果图；
图7是本发明实施例提供的一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料制备流程示意图；
附图说明：1第一超材料周期单元，2介质层，3第二超材料周期单元，11L 型超材料单元结构，111第一结构臂，112第二结构臂，31条型超材料单元结构。
具体实施方式
本发明实施例针对现有装甲车辆、舰船、飞机座舱等的观察窗口不能实现透光的问题，本发明利用透明材料作为介质层，并在介质层两侧设置单层双面超材料结构，利用超材料结构实现阻抗匹配，增加入射波，同时通过超材料结构上下层之间产生耦合，以实现电路损耗，最终得到透光性良好的宽频超薄吸波超材料，从而满足飞行器等可视窗口的需求，另外本发明的宽频超薄吸波超材料可以同时降低吸波材料厚度并提高频率吸收范围。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明实施例提供了一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料，如图1所示，包括：介质层2、第一超材料周期单元1和第二超材料周期单元3，其中，所述介质层2为透明材料；所述第一超材料周期单元1设置在所述介质层 2的第一平面上，所述第二超材料周期单元3设置在所述介质层2的第二平面上；
通过所述第一超材料周期单元1和所述第二超材料周期单元3改变所述宽频超薄吸波超材料的阻抗匹配特性，使入射到所述宽频超薄吸波超材料的电磁波被吸收，并通过所述第一超材料周期单元1与所述第二超材料周期单元3之间互相耦合，以对入射到所述宽频超薄吸波超材料的电磁波进行损耗。
也就是说，本发明实施例是利用透明材料作为介质层2，并在介质层2两侧设置单层双面超材料结构，利用超材料结构实现阻抗匹配，增加入射波，同时通过超材料结构上下层之间产生耦合，以实现电路损耗，最终得到透光性良好的宽频超薄吸波超材料，从而满足飞行器等可视窗口的需求，另外本发明的宽频超薄吸波超材料可以同时降低吸波材料厚度并提高频率吸收范围。
需要说明的是，本发明实施例中，所述介质层2包括玻璃、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸类塑料，所述所述第一超材料周期单元1和所述第二超材料周期单元3均为石墨烯或ITO薄膜型吸波超材料。
具体实施时，本发明实施例所述第一超材料周期单元1和所述第二超材料周期单元3的单元结构形状为开口谐振环、十字型结构、I字型结构或H型，或者是由开口谐振环、十字型结构、I字型结构和H型之间构成的互补结构。
具体来说，本发明实施例所述第一超材料周期单元1和所述第二超材料周期单元3均为中心对称的超材料单元结构。即，本发明实施例中的第一超材料周期单元1和第二超材料周期单元3都是由多个中心对称的超材料单元结构组成。
本发明实施例的总体设计思路是基于阻抗匹配特性，利用周期性微结构图形改善材料的阻抗匹配特性，使电磁波更容易入射，从而使吸收性能提高，同时基于衰减理论特性，利用电磁波在不同图形结构之间的互相耦合损耗部分电磁波，从而提高吸收性能，然后利用ITO薄膜的高透光率提升产品的透光性能。
也就是说，本发明实施例是利用第一超材料周期单元1、介质层2和第二超材料周期单元3的双面镀膜介质板结构，利用不同结构的超材料单元互相耦合损耗部分电磁波，实现可透光宽频吸波特性。
具体实施时，本发明实施例中，所述第一超材料周期单元1内的各个超材料单元结构均为中心对称的两个L型超材料单元结构11，所述第二超材料周期单元3内的各个超材料单元结构均为中心对称的金属条型超材料单元结构 31。
其中，如图2所示，本发明实施例中，所述第一超材料周期单元1的尺寸为8-9mm，所述第一超材料周期单元1内的超材料单元结构位于整个周期的中心位置，该超材料单元结构的第一结构臂111与第二结构臂112的长度均为 5.5-6mm，且所述第一结构臂111与第二结构臂112的宽度均为1-1.5mm。
如图3所示，本发明实施例中，所述第二超材料周期单元3内的超材料单元结构为条型超材料单元结构31，该条型超材料单元结构31之间的周期间距为0.2-1mm，且条型超材料单元结构31的线宽为8-9mm。
进一步地，本发明实施例中所述第一超材料周期单元1为在第一方阻S1的ITO薄膜上蚀刻关于中心对称的超材料单元结构，且所述第二超材料周期单元3为在第二方阻S2的ITO薄膜上蚀刻中心对称的超材料单元结构。
其中，所述第一方阻值S1与所述第二方阻值S2的范围为2-500Ω/；且所述介质层2的介电常数ε的范围为1-10，损耗角正切值为0.0009-0.025；所述介质层2的厚度h的范围为0.1-5mm。
本领域技术人员可以根据实际需要来任意设置上述各个参数的具体数值，只要能实现最终的透明设置即可，本发明对此不作具体限定。
具体实施时，本发明实施例采用介质基板包括玻璃、聚碳酸酯(PC塑料)、聚对苯二甲酸类塑料(PET塑料)等；薄膜层包括石墨烯、ITO薄膜；通常采用的单元结构形状为开口谐振环、十字型结构、I字型结构、H型以及它们的互补结构等。
本发明通过设计第一超材料结构+介质+第二超材料结构的双面镀膜介质板结构，利用不同结构的超材料单元互相耦合损耗部分电磁波，实现实现可透光宽频吸波特性。
本发明实施例是通过吸波材料几何结构建模，对表面电流强度分析，研究吸波特性的影响因素；利用双面镀膜技术制备导电膜，利用双面同时激光刻蚀的技术制备超材料样品；采用弓形法对吸波超材料样品测试。如图过程如图7 所示。
为了更好的对本发明实施例所述的方法进行说明，下面将结合图4-图6对本发明实施例所述的用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料及其制备方法进行详细说明：
本发明实施例具体实施时是利用CST软件实现吸波超材料几何结构建模，如图1所示。本发明实施例的吸波材料包括介质层2、以及设置在介质层2两侧的第一超材料周期单元1和第二超材料周期单元3，如图2所示为在第一方阻S1的ITO薄膜上蚀刻出关于中心对称的两个L型超材料单元结构11，图3 为在第二方阻S2的ITO薄膜上蚀刻出关于中心对称的金属条型超材料单元结构31。
本发明实施例的介质层2为h介电常数为ε的玻璃介质基板，介电常数ε为 4.8，厚度h为2.5mm±0.05mm，损耗角正切值为0.0054；导电层1薄膜方阻 S1为30Ω/sq.±2Ω/sq.，导电层2薄膜方阻S2为30Ω/sq.±2Ω/sq.。
具体实施时，设置本发明实施例的L型超材料单元结构11的构参数：L 型超材料单元结构11的高度h＝2.5mm，第一方阻S1＝S2＝30Ω/sq.，所述第一超材料周期单元1的尺寸为＝8.4mm，L型超材料单元结构11的宽度w＝8.4 mm，L型超材料单元结构11的第一结构臂111端部与另一个L型超材料单元结构11的第二结构臂112外侧的距离l1＝1.6mm，L型超材料单元结构11 的结构臂的长度l2＝5.8mm，L型超材料单元结构11的结构臂的宽度l3＝1.2mm，L型超材料单元结构11的第二结构臂112端部与另一个L型超材料单元结构11的第一结构臂111外侧的距离w1＝1.6mm。
为了探究双频段吸收峰的来源，对吸波材料在吸收峰处的电流强度分布情况进行了监控，如图4所示。图4a 和4b 分别表示谐振点在f1(9.0GHz)和 f2(15.0GHz)时的电流强度。由图4a 可知，电流强度集中在正面单元结构上，因此第一谐振点f1是由开口环结构产生；由图4b 可知，电流强度均集中在背面单元结构上，因此第二谐振点f2是线型结构产生。
本发明实施例采用直流磁控溅射法室温条件下制备了ITO薄膜，通过控制靶材的角度、氧流量、溅射时间和溅射功率，优化了薄膜的透过率、方阻和表面结构的影响。当靶材角度在23～25°、氧流量在7～9sccm、溅射时间在 60～90min和溅射功率在100～120W时，获得可见光波段部分透光率高于80％，方阻在28～32Ω/之间的优质ITO薄膜。
本发明实施例的激光刻蚀技术：利用CAD绘图软件画出所需要的吸波超材料图形，单元尺寸为8.4mm×8.4mm，周期数为20×20，整体尺寸为180mm ×180mm×2.5mm；如图5所示为通过激光光绘机绘制成的微结构工艺图，其中基底为激光刻蚀部分，L形为超材料图形，利用高光束质量的小功率激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使基底图形部分在瞬间汽化蒸发，形成超材料单元结构。
将吸波超材料放置在尺寸为180mm×180mm金属板5上方，采用弓形法测试得到吸波材料的吸波特性，测试结果如图6所示。根据图6可知，工作频段在8-17.2GHz范围内吸波率高于90％，谐振点在15GHz处吸收率达到99％，覆盖了X波段(8.0GHz-12GHz)和Ku波段(12GHz-17.2GHz)，实验证明，对本发明实施例制备的可见光透光率测试装置进行测试，可见光波段部分透光率高于80％。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (4)

1.一种用于飞行器可视窗的宽频超薄吸波超材料，其特征在于，包括：介质层、第一超材料周期单元和第二超材料周期单元，其中，所述介质层为透明材料，且所述第一超材料周期单元设置在所述介质层的第一平面上，所述第二超材料周期单元设置在所述介质层的第二平面上；
通过所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元改变所述宽频超薄吸波超材料的阻抗匹配特性，使入射到所述宽频超薄吸波超材料的电磁波被吸收，并通过所述第一超材料周期单元与所述第二超材料周期单元之间互相耦合，以对入射到所述宽频超薄吸波超材料的电磁波进行损耗；
所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元均为中心对称的超材料单元结构；
所述第一超材料周期单元内的各个超材料单元结构均为中心对称的两个L型超材料单元结构，所述第二超材料周期单元内的各个超材料单元结构均为中心对称的金属条型超材料单元结构；
所述第一超材料周期单元的尺寸为8-9mm，所述第一超材料周期单元内的超材料单元结构位于整个周期的中心位置，该超材料单元结构的第一结构臂与第二结构臂的长度均为5.5-6mm，且所述第一结构臂与第二结构臂的宽度均为1-1.5mm；
所述第二超材料周期单元内的超材料单元结构为条型超材料单元结构，该条型超材料单元结构之间的周期间距为0.2-1mm，且条型超材料单元结构的线宽为8-9mm；
所述第一超材料周期单元和所述第二超材料周期单元均为石墨烯或ITO薄膜型吸波超材料。
2.根据权利要求1所述的宽频超薄吸波超材料，其特征在于，
所述第一超材料周期单元为在第一方阻S1的ITO薄膜上蚀刻关于中心对称的超材料单元结构，且所述第二超材料周期单元为在第二方阻S2的ITO薄膜上蚀刻中心对称的超材料单元结构。
3.根据权利要求2所述的宽频超薄吸波超材料，其特征在于，
所述第一方阻S1与所述第二方阻S2的范围为2-500Ω/；
且所述介质层的介电常数ε的范围为1-10，损耗角正切值为0.0009-0.025；所述介质层的厚度h的范围为0.1-5mm。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的宽频超薄吸波超材料，其特征在于，
所述介质层包括玻璃、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸类塑料。
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