CN111883933A - 一种电调控多波段兼容型智能伪装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电调控多波段兼容型智能伪装结构，包括：主动频率选择表面吸波体和设置在其上的柔性红外兼容电致变色器。主动频率选择表面吸波体，在多层不同损耗型的吸波层中引入Ю型双层可控频率选择表面，同时利用变容二极管等有源器件灵活地调控主动频率选择表面吸波体的谐振频率，有利于拓宽其工作带宽，实现微波宽频带的强吸波性能。柔性红外兼容电致变色器，在透光电极底面镀制有光子晶体层，光子晶体层的结构为[AB]nB[AB]n中心掺杂态光子晶体膜系结构，可以实现红外与激光的兼容隐身。本发明的电调控多波段兼容型智能伪装结构发挥了智能材料与超构材料的协同作用，可以实现红外、激光、雷达、可见光多频段兼容隐身的功能。

Description

一种电调控多波段兼容型智能伪装结构
技术领域
本发明属于隐身技术领域，具体涉及一种电调控多波段兼容型智能伪装结构。
背景技术
隐身技术是躲避摧毁与达成突袭的重要手段，是世界各国武器装备高新技术之一。现有隐身技术大都只对单一波段探测手段有效，然而却无法同时应对当前先进的精确制导与探测技术采用雷达、激光、红外、高光谱等多种手段联合探测。另外，现有的隐身技术大都属于静态伪装，在特定的战场背景环境下能起到较好的隐藏伪装效果，但又无法在装备机动过程中，适应差异的多域复杂背景变化，因此静态隐身技术已逐渐不能满足未来战场动态伪装需求。
为了适应现代化体系作战中面临多种高精度探测手段、跨时空区域机动等鲜明特征，隐身技术已被迫走向多频谱兼容隐身与自适应隐身两个发展趋势。然而，传统的隐身材料与隐身结构却难以在多频谱兼容隐身与自适应隐身两个方向上形成新的突破。
目前，通过特殊的结构设计与材料复合方式可以在一定程度上实现雷达、红外以及可见光的多频谱兼容隐身，但是大都处于基础性实验研究阶段，且兼容性效果并不佳。因此，提出一种可电调控的红外、激光、可见光、雷达多波段兼容型智能伪装结构是具有非常重要的科学意义与工程价值的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种电调控多波段兼容型智能伪装结构。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种电调控多波段兼容型智能伪装结构，包括：主动频率选择表面吸波体和设置在其上的柔性红外兼容电致变色器，其中，
所述主动频率选择表面吸波体包括自上而下依次设置的第一复合吸波层、第一有源可控频率选择表面、第二复合吸波层、第二有源可控频率选择表面、第三复合吸波层和金属膜层，其中，
所述第一有源可控频率选择表面包括介质板以及在所述介质板上周期性排列的第一吸波体单元，相邻所述第一吸波体单元之间通过电感连接，所述第一吸波体单元包括对称设置的两个Ю金属贴片和变容二极管，所述变容二极管串接在两个所述Ю金属贴片之间；
所述第二有源可控频率选择表面包括介质板以及在所述介质板上周期性排列的第二吸波体单元，相邻所述第二吸波体单元之间通过电感连接，所述第二吸波体单元为与旋转90°的所述第一吸波体单元形状相同的Ю型缝隙结构，所述第二吸波体单元包括对称设置的两个Ю型缝隙和变容二极管，所述变容二极管串接在两个所述Ю型缝隙之间；
所述柔性红外兼容电致变色器包括自上而下依次设置的第一电极、第一电致变色层、电解质层、第二电致变色层、第二电极和光子晶体层，其中，
所述光子晶体层的结构为[AB]nB[AB]n中心掺杂态光子晶体膜系结构，n表示A膜层和B膜层交替排列的周期次数，2≤n≤4。
在本发明的一个实施例中，所述第一复合吸波层和所述第三复合吸波层为铁基复合吸波层，所述第二复合吸波层为碳基复合吸波层。
在本发明的一个实施例中，相邻所述第一吸波体单元在水平方向上间隔设置，相邻所述第一吸波体单元在竖直方向上通过所述电感连接。
在本发明的一个实施例中，相邻所述第二吸波体单元在竖直方向上间隔设置，相邻所述第二吸波体单元在水平方向上通过所述电感连接。
在本发明的一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极为PET-ITO柔性透明导电薄膜。
在本发明的一个实施例中，所述第一电致变色层和所述第二电致变色层均采用高分子导电聚合物和过渡金属氧化物复合而成，所述高分子导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或多种，所述过渡金属氧化物为WO3、V2O5、MnO3中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述A膜层与所述B膜层满足以下条件：
Figure BDA0002567296320000031
其中，nA表示A膜层的折射率，nB表示B膜层的折射率，dA表示A膜层的厚度，dB表示B膜层的厚度。
在本发明的一个实施例中，所述A膜层和所述B膜层的材料为PbTe、Al2O3、SiO2、Si3N4或MgF2光学薄膜材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的电调控多波段兼容型智能伪装结构，设置的主动频率选择表面吸波体，在多层不同损耗型的吸波层中引入Ю型双层可控频率选择表面，同时利用变容二极管等有源器件灵活地调控主动频率选择表面吸波体的谐振频率，基于互耦与谐振机制的双层级联结构，有利于拓宽其工作带宽，实现微波宽频带的强吸波性能；
2、本发明的电调控多波段兼容型智能伪装结构，设置的柔性红外兼容电致变色器，在透光电极底面镀制有光子晶体层，光子晶体层的结构为[AB]nB[AB]n中心掺杂态光子晶体膜系结构，利用光子晶体的红外宽域禁带特性实现3～5μm与8～14μm双红外波段高反射光谱，并在中心多插入一缺陷层B调制光子晶体能带特性，在10.6μm附近处形成光子局域态陷光现象，实现红外与激光的兼容隐身；
3、本发明的电调控多波段兼容型智能伪装结构，将在透光电极底面镀制有光子晶体层的柔性红外兼容电致变色器，贴附于主动频率选择表面吸波体之上，发挥了智能材料与超构材料的协同作用，实现红外、激光、雷达、可见光多频段兼容隐身的功能。
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他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电调控多波段兼容型智能伪装结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种主动频率选择表面吸波体的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的变容二极管在不同电容值时的电磁微波的频域响应仿真图；
图4是本发明实施例提供的一种光子晶体层的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种光子晶体层的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种光子晶体层的红外反射特性图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种电调控多波段兼容型智能伪装结构进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请结合参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种电调控多波段兼容型智能伪装结构的示意图，图2是本发明实施例提供的一种主动频率选择表面吸波体的结构示意图。如图所示，本实施例的电调控多波段兼容型智能伪装结构，包括主动频率选择表面吸波体1和设置在其上的柔性红外兼容电致变色器2。其中，主动频率选择表面吸波体1包括自上而下依次设置的第一复合吸波层101、第一有源可控频率选择表面102、第二复合吸波层103、第二有源可控频率选择表面104、第三复合吸波层105和金属膜层106。
具体地，第一复合吸波层101和第三复合吸波层105为铁基复合吸波层，第二复合吸波层103为碳基复合吸波层。在本实施例中，第一复合吸波层101和第三复合吸波层105均由聚苯胺包裹钡铁氧体的核壳型颗粒吸波剂和环氧树脂混合而成，用于改善低频吸波性能。第二复合吸波层103由石墨烯、Fe3O4和聚苯胺三复合而成，具有较好的电磁匹配性能与宽域吸波性能，而且第二复合吸波层103的电磁参数可以受到其两侧的第一有源可控频率选择表面102和第二有源可控频率选择表面104的电场影响实现微调控作用。
进一步地，如图2所示，第一有源可控频率选择表面102包括介质板以及在介质板上周期性排列的第一吸波体单元1021，相邻第一吸波体单元1021之间通过电感连接，第一吸波体单元1021包括对称设置的两个Ю金属贴片和变容二极管，变容二极管串接在两个Ю金属贴片之间。第二有源可控频率选择表面104包括介质板以及在介质板上周期性排列的第二吸波体单元1041，相邻第二吸波体单元1041之间通过电感连接，第二吸波体单元1041为与旋转90°的第一吸波体单元1021形状相同的Ю型缝隙结构，第二吸波体单元1041包括对称设置的两个Ю型缝隙和变容二极管，变容二极管串接在两个Ю型缝隙之间。在本实施例中，Ю型缝隙是直接开设在介质板上的。
在本实施例中，第一有源可控频率选择表面102具有低通滤波性，第二有源可控频率选择表面104具有高通滤波性，二者形成互补形式。
具体地，相邻第一吸波体单元1021在水平方向上间隔设置，相邻第一吸波体单元1021在竖直方向上通过电感连接。相应的，相邻第二吸波体单元1041在竖直方向上间隔设置，相邻第二吸波体单元1041在水平方向上通过电感连接。
以第一有源可控频率选择表面102为例，对其工作原理进行说明，第一吸波体单元1021中变容二极管串接在两个对称设置的Ю金属贴片的I端之间。两个对称设置的Ю金属贴片中间通过变容二极管相连，相邻第一吸波体单元1021在竖直方向上通过电感连接，从而构成LC回路，通过在第一有源可控频率选择表面102边缘处接入外加偏置电压值，即可改变变容二极管的电容值，从而改变第一有源可控频率选择表面102的谐振频率。在本实施例中，变容二级管的电容值改变范围为0.3～3pF。第二有源可控频率选择表面104的工作原理与之类似，在此不再赘述。
在本实施例中，Ю金属贴片由“Ⅰ”、“―”、“O”三部分连接构成。“Ⅰ”的长度为4～10mm，宽度为1.5～3mm；“―”的长、宽均为1.5～3mm；“O”的半径为2～5mm；相邻Ю金属贴片之间的间隔为2～4mm。优选地，“Ⅰ”的长度为6mm，宽度为2mm；“―”的长、宽均为1.5mm；“O”的半径为3mm；相邻Ю金属贴片之间的间隔为4mm。Ю型缝隙结构的尺寸几何参数与Ю金属贴片的尺寸几何参数相同。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的变容二极管在不同电容值时的电磁微波的频域响应仿真图，如图所示，在不同电容值状态下，主动频率选择表面吸波体的电磁波频域响应特征曲线发生改变。随着变容二级管的电容值增大，强吸收谐振频率(即曲线波谷处频率)向低频移动，且有效吸收带宽区域存在变化。由此，在多层不同损耗型的吸波层中引入Ю型双层频率选择表面，同时利用变容二极管等有源器件可以灵活地调控谐振频率，并有利于拓宽主动频率选择表面吸波体1工作的带宽，实现微波强吸波性能，解决了传统吸波材料的低频吸收率低、吸收频带窄、可调控差的难题。
在本实施例中，金属膜层106由铜片构成。
进一步地，柔性红外兼容电致变色器2包括自上而下依次设置的第一电极201、第一电致变色层202、电解质层203、第二电致变色层204、第二电极205和光子晶体层206。
具体地，第一电极201和第二电极205为PET-ITO柔性透明导电薄膜。
进一步地，第一电致变色层202和第二电致变色层204均采用高分子导电聚合物和过渡金属氧化物复合而成，高分子导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或多种，过渡金属氧化物为WO3、V2O5、MnO3中的一种或多种。
在本实施例中，第一电致变色层202和第二电致变色层204均采用聚苯胺与MnO3复合而成，分别涂覆在第一电极201和第二电极205上。电解质层203采用ZrO2固态膜层，用于第一电致变色层202和第二电致变色层204之间的离子传导，与两个电极之间的电子传导达到电荷平衡。
进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种光子晶体层的结构示意图，如图所示，光子晶体层206的结构为[AB]nB[AB]n中心掺杂态光子晶体膜系结构，n表示A膜层和B膜层交替排列的周期次数，2≤n≤4。A膜层与B膜层满足以下条件：
Figure BDA0002567296320000081
其中，nA表示A膜层的折射率，nB表示B膜层的折射率，dA表示A膜层的厚度，dB表示B膜层的厚度。
值得说明的是，A膜层与B膜层的折射率与膜层厚度的乘积值应该尽量接近相等，且其乘积的值应该尽量接近2650nm。
进一步地，A膜层和B膜层的材料为PbTe、Al2O3、SiO2、Si3N4或MgF2光学薄膜材料。
以n值取2为例对本实施例的光子晶体层进行说明，请参见图5，图5是本发明实施例提供的另一种光子晶体层的结构示意图。如图所示，本实施例的光子晶体层206的结构为[AB]2B[AB]2，在本实施例中，A膜层采用PbTe光学薄膜材料，其折射率nA为5.6，厚度dA为473nm，B膜层采用SiO2光学薄膜材料，其折射率nB为1.46，厚度dB为1815nm。
请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种光子晶体层的红外反射特性图。如图所示，本实施例的一种光子晶体层，能实现3～5μm与8～14μm双红外波段高反射光谱，并在10.6μm附近处形成光子局域态陷光现象，实现红外与激光的兼容隐身。而且，柔性红外兼容电致变色器2在电场调控作用下，可以使得导聚苯胺/MnO3复合的电致变色层材料发生氧化还原反应，从而达到黄色-绿色-蓝色-褐色的智能变色与红外发射率调控作用。
对本实施例的电调控多波段兼容型智能伪装结构的工作原理进行说明如下：柔性红外兼容电致变色器2可以实现3～5μm与8～14μm双红外波段高反射光谱，而且在电场作用下调控颜色光泽与红外发射率的变化，并在10.6um处形成光子局域的陷光现象。电磁波透过柔性红外兼容电致变色器2之后，到达主动频率选择表面吸波体1，先通过第一复合吸波层101损耗一部分后到达第一有源可控频率选择表面102，高频域电磁波被反射回第一复合吸波层101并实现第二次损耗；低频域电磁波透过并经第二复合吸波层103吸收损耗后到达第二有源可控频率选择表面104，受阻被反射后可被第一复合吸波层101与第二复合吸波层103再吸收损耗；最终剩于透过的电磁波又继续被第三复合吸波层105吸收损耗，最终到达金属膜层106被反射，逆回程过程中消耗殆尽。
本实施例的电调控多波段兼容型智能伪装结构，将柔性红外兼容电致变色器2，贴附于主动频率选择表面吸波体1之上。柔性红外兼容电致变色器2可以实现3～5μm与8～14μm双红外波段高反射光谱，而且在电场作用下调控颜色光泽与红外发射率的变化，并在10.6um处形成光子局域的陷光现象，从而实现红外与激光的兼容隐身。主动频率选择表面吸波体1在电场调控作用下，可以灵活地调控谐振频率，有利于拓宽工作带宽，实现微波宽频带的强吸波性能。本实施例的电调控多波段兼容型智能伪装结构，能发挥了智能材料与超构材料的协同作用与优势互补，实现红外、激光、雷达、可见光多频段兼容隐身的功能。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，包括：主动频率选择表面吸波体(1)和设置在其上的柔性红外兼容电致变色器(2)，其中，
所述主动频率选择表面吸波体(1)包括自上而下依次设置的第一复合吸波层(101)、第一有源可控频率选择表面(102)、第二复合吸波层(103)、第二有源可控频率选择表面(104)、第三复合吸波层(105)和金属膜层(106)，其中，
所述第一有源可控频率选择表面(102)包括介质板以及在所述介质板上周期性排列的第一吸波体单元(1021)，相邻所述第一吸波体单元(1021)之间通过电感连接，所述第一吸波体单元(1021)包括对称设置的两个Ю金属贴片和变容二极管，所述变容二极管串接在两个所述Ю金属贴片之间；
所述第二有源可控频率选择表面(104)包括介质板以及在所述介质板上周期性排列的第二吸波体单元(1041)，相邻所述第二吸波体单元(1041)之间通过电感连接，所述第二吸波体单元(1041)为与旋转90°的所述第一吸波体单元(1021)形状相同的Ю型缝隙结构，所述第二吸波体单元(1041)包括对称设置的两个Ю型缝隙和变容二极管，所述变容二极管串接在两个所述Ю型缝隙之间；
所述柔性红外兼容电致变色器(2)包括自上而下依次设置的第一电极(201)、第一电致变色层(202)、电解质层(203)、第二电致变色层(204)、第二电极(205)和光子晶体层(206)，其中，
所述光子晶体层(206)的结构为[AB]nB[AB]n中心掺杂态光子晶体膜系结构，n表示A膜层和B膜层交替排列的周期次数，2≤n≤4。
2.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，所述第一复合吸波层(101)和所述第三复合吸波层(105)为铁基复合吸波层，所述第二复合吸波层(103)为碳基复合吸波层。
3.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，相邻所述第一吸波体单元(1021)在水平方向上间隔设置，相邻所述第一吸波体单元(1021)在竖直方向上通过所述电感连接。
4.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，相邻所述第二吸波体单元(1041)在竖直方向上间隔设置，相邻所述第二吸波体单元(1041)在水平方向上通过所述电感连接。
5.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，所述第一电极(201)和所述第二电极(205)为PET-ITO柔性透明导电薄膜。
6.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，所述第一电致变色层(202)和所述第二电致变色层(204)均采用高分子导电聚合物和过渡金属氧化物复合而成，所述高分子导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一种或多种，所述过渡金属氧化物为WO3、V2O5、MnO3中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，所述A膜层与所述B膜层满足以下条件：
Figure FDA0002567296310000021
其中，nA表示A膜层的折射率，nB表示B膜层的折射率，dA表示A膜层的厚度，dB表示B膜层的厚度。
8.根据权利要求1所述的电调控多波段兼容型智能伪装结构，其特征在于，所述A膜层和所述B膜层的材料为PbTe、Al2O3、SiO2、Si3N4或MgF2光学薄膜材料。
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