CN112622391A - 一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，涉及多频谱隐身技术领域，隐身结构包括主要包括低发射率红外隐身层和超宽带雷达吸波层；为了实现可见光高透过率，整体结构设计选用光学透明材料透明导电薄膜和透明电介质；雷达吸波层采用导电薄膜‑介质‑导电薄膜三明治型吸波结构；采用激光刻蚀工艺将透明导电薄膜刻蚀成频率选择表面，完成雷达与红外兼容隐身材料的制备；本发明的光学透明超宽带雷达红外兼容隐身材料具有较强的可设计性，采用超材料技术可从结构设计角度较好的解决光学透明、雷达隐身、红外隐身的矛盾性问题，具备较好的超宽频雷达吸波性能、低红外发射率与光学透明特性。

Description

一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构
技术领域
本发明涉及多频谱隐身技术领域，更具体的涉及一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构。
背景技术
随着多频谱复合探测技术的发展，单一频段的隐身已经远远不能满足军事装备的隐身需求。红外探测和雷达探测是目前最主要的探测手段，如何兼容红外-雷达隐身是目前隐形材料技术中的研究热点。雷达隐身需要低反射率和高吸收率，而红外隐身则需要高反射率和低吸收率(低发射率)。传统材料难以同时具备雷达高吸收与红外低发射，一些研究者提出把半导体材料氧化锌(ZnO)、三氧化二铟(In2O3)等粉碎，之后和基料(树脂、漆)复合成涂料，通过调节掺杂半导体的粒度和涂层厚度调节反射和吸收，同时实现红外-雷达双隐身。但是，由于两者相互制约，同时提升雷达吸波能力和降低红外发射率是非常困难的。也有一些研究者提出利用光子晶体实现红外-雷达兼容隐身，光子晶体在红外辐射抑制、红外与激光兼容、红外和可见光兼容方面优势突出，但在雷达隐身以及红外-雷达兼容隐身方面也具有一定的局限性。
另外，在一些实际应用中，隐身材料除了满足红外-雷达兼容隐身还应具备光学透明窗口，例如飞行器或武器装备的窗户。目前研究者们设计并实现了一系列具有光学透明特性的雷达吸波体和散射体，然而其红外隐身属性很少受到关注。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，利用透明导电材料、高透光的电介质，设计得到多层金属和介质构成的结构，实现了光学透明红外-雷达兼容隐身。
一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，包括自下而上依次设置的背板、第一中间介质层、第一频率选择表面层、第二中间介质层和第二频率选择表面层；
所述背板为光学透明导电薄膜；
所述第一频率选择表面层是由结构单元在所述第一中间介质层上排布成的矩阵结构，所述结构单元是由四个相同尺寸的透明扇形贴片按照2×2的阵列排布而成；
所述第二频率选择表面层是由透明方形贴片在所述第二中间介质层上排列成的矩阵结构；
所述第一中间介质层和所述第二中间介质层分别为高透光率损耗性的介质材料。
优选地，所述第一频率选择表面层的方阻为15-80Ω/sq。
优选地，所述结构单元按照周期排布成矩阵结构，所述周期为12mm，所述透明扇形贴片的半径为5-5.5mm。
优选地，所述第二频率选择表面层的方阻为6.0Ω/sq。
优选地，所述透明方形贴片的边长为0.4-3.5mm，相邻的两个透明方形贴片的间距为0.2mm。
优选地，所述背板的方阻为6-15Ω/sq。
优选地，所述背板、所述透明扇形贴片和所述透明方形贴片的材料分别为氧化铟锡(ITO)、氧化锡锑(ATO)和铝掺杂的氧化锌(ZnO)中的一种或多种组合。
优选地，所述第一频率选择表面层和所述第二频率选择表面层均是采用激光蚀刻工艺制成，具体的，先将沉积在基板上的透明导电材料通过激光蚀刻技术蚀刻成所述第一频率选择表面层结构和所述第二频率选择表面层结构，之后将蚀刻后的基板分别与第一中间介质层或第二中间介质层通过高透光粘合剂粘在一起，基板厚度为0.175mm。
优选地，所述第一中间介质层和所述第二中间介质层的材料分别为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、SiO2和钠钙玻璃中的一种或多种组合；其中，上述基板也可选与第一中间介质层或所述第二中间介质层相同的材料。
优选地，所述第一中间介质层的厚度为1.2-1.8mm，所述第二中间介质层的厚度为1.2-1.8mm。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于光学透明导电材料、透明电介质，设计得到多层金属和介质构成的结构，采用超材料技术从结构设计角度较好的解决了光学透明、雷达隐身、红外隐身的矛盾性问题；电磁波垂直入射时，设计的光学透明红外-雷达兼容隐身结构能够实现8.0GHz-32.0GHz频带内吸收率高于90％的宽带吸波；
(2)本发明的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，对于TE模式，入射角增加至50°时，该结构能够在8.0GHz-29.2GHz吸收频带内始终保持吸收率高于80％的宽带电磁吸波，TM模式斜入射时，入射角度增加至60°时，设计的超材料在10.9GHz-28.0GHz宽频段内的吸收率始终保持高于90％；
(3)本发明的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，可见光波段的平均总透射率约为0.54，具有良好的光学透明特性；
(4)本发明的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，利用傅里叶光谱仪测得的反射率计算红外低发射层的红外发射率，其在3.0μm-14.0μm的红外波段中，所对应的平均发射率为0.47，可以通过提高导电材料的占空比降低红外发射率，从而进一步提升红外隐身性能。
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为本发明实施例1提供的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构示意图：(a)单元结构示意图，(b)IRSL结构的俯视图，(c)RAL结构的俯视图；
图2为本发明实施例1提供的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构的吸收、反射和透射率的仿真结果；
图3为本发明实施例1提供的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构的大角度吸收的仿真结果；(a)TE模式，(b)TM模式；
图4为本发明实施例1提供的光学透明超宽带雷达与红外双隐身超材料加工样品：(a)IRSL样品放大照片，(b)RAL样品放大照片，(c)红外-雷达兼容隐身超材料样品；
图5为本发明实施例1提供的光学透明超宽带雷达与红外双隐身超材料样品的吸收率测试结果；
图6为本发明实施例1提供的光学透明超宽带雷达与红外双隐身超材料样品可见光透过率测试结果；
图7为本发明实施例1提供的低发射率红外隐身层红外发射率的测试结果。
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。
下述背板、第一频率选择表面层和第二频率选择表面层的材料可分别为ITO、ATO和铝掺杂的ZnO中的一种或多种组合，第一中间介质层和第二中间介质层的材料分别为高透光的PET、PMMA、PEN、SiO2和钠钙玻璃中的一种或多种组合。
实施例1
结合图1所示，本发明实施例1提供一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，包括低发射率红外隐身层和超宽带雷达吸波层，为层状结构，由下至上依次包括背板1、第一中间介质层2、第一频率选择表面层3、第二中间介质层4和第二频率选择表面层5。其中，第一中间介质层2和第二中间介质层4为高透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，其介电常数为3.0(1-j0.06)。
第一频率选择表面层3和第二频率选择表面层5分别由周期性图案的ITO涂层组成，ITO频率选择表面衬底层均由厚度为0.175mm的PET片制成。具体为：
低发射率红外隐身层(IRSL结构)，由第二频率选择表面层5构成，其方阻为6.0Ω/sq，方形ITO贴片呈矩阵式排列分布在0.175mm的PET基板上，贴片大小为0.80mm，缝隙为大小0.2mm，通过激光蚀刻技术将沉积在光学透明PET基板上的导电ITO膜蚀刻成设计的结构。
超宽带雷达吸波层(RAL结构)为典型的ITO-PET-ITO三明治型吸波结构，ITO频率选择表面(即第一频率选择表面层3)的方阻为80Ω/sq，四个相同尺寸的扇形ITO贴片按照2*2的阵列设置在介质层上，扇形贴片的半径为5.4mm，ITO反射背板(即背板1)的方阻为6.0Ω/sq，中间层(即第一中间介质层2)为1.8mm厚的损耗型介质PET，结构单元周期p为12mm。
低发射率红外隐身层和超宽带雷达吸波层中间的介质材料(即第二中间介质层4)为高透光率损耗性的介质材料PET，PET厚度为1.5mm。
实施例2
一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，结构与实施例1相同，不同之处在于，第一频率选择表面层3的方阻为15Ω/sq，低发射率红外隐身层中的贴片大小为3.5mm，背板1的方阻为15Ω/sq，第一中间介质层2的厚度为1.2mm，第二中间介质层4的厚度为1.2mm。
实施例1～2制得的材料性能近似，仅对本实施例1中的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构进行吸收特性和反射特性的计算，如图2-3所示，电磁波垂直入射时本实施例1中的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构能够实现8.0GHz-32.0GHz频带内吸收率高于90％的宽带吸波。对于TE模式，入射角增加至50°时，该结构能够在8.0GHz-29.2GHz吸收频带内始终保持吸收率高于80％的宽带电磁吸波。对于TM模式，入射角度增加至60°时，设计的超材料在10.9GHz-28.0GHz宽频段内的吸收率始终保持高于90％。
为进一步验证上述仿真结果，通过激光蚀刻技术将沉积在光学透明PET基板上的导电ITO膜蚀刻成设计的结构。图4(a)为加工的IRSL放大图。图4(b)为加工的RAL放大图。借助高透光的粘合剂将加工的ITO结构与PET介质板粘在一起，图4(c)为红外-雷达兼容隐身结构加工样品，尺寸为300mm×300mm，通过加工样品我们可以清楚的看到图片信息。
测量时，首先选用相同尺寸的金属底板进行归一化，测量的吸收率如图5所示，其中黑色实线为仿真结果，虚线为测试结果，考虑到测试和实验加工中可能存在的误差，认为实验与仿真结果基本吻合。
为精确表征光学透明特性，我们使用紫外-可见光分光光度计测量了IRSL和整体结构的可见光透射率。如图6所示，IRSL可见光平均透射率约为0.68，红外-雷达兼容隐身超材料的平均总透射率约为0.54。
我们同样通过测量结构的反射光谱来获得其红外发射率，红外反射曲线由傅里叶光谱仪Vertex80测得。利用测得的反射率计算的红外发射率如图7所示，在3.0μm-14.0μm的红外波段中，样品的红外低发射层所对应的平均发射率为0.47。可以通过进一步提升ITO占空比来降低样品的发射率，提升其红外隐身性能。
进一步，可选用柔性介质材料，例如柔性PET，获得柔性光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构。
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 (10)

1.一种光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，包括自下而上依次设置的背板(1)、第一中间介质层(2)、第一频率选择表面层(3)、第二中间介质层(4)和第二频率选择表面层(5)；
所述背板(1)为光学透明导电薄膜；
所述第一频率选择表面层(3)是由结构单元排布成的矩阵结构，所述结构单元是由四个相同尺寸的透明扇形贴片按照2×2的阵列排布而成；
所述第二频率选择表面层(5)是由透明方形贴片排列成的矩阵结构；
所述第一中间介质层(2)和所述第二中间介质层(4)分别为高透光率损耗性的介质材料。
2.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述第一频率选择表面层(3)的方阻为15-80Ω/sq。
3.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述结构单元按照周期排布成矩阵结构，所述周期为12mm，所述透明扇形贴片的半径为5-5.5mm。
4.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述第二频率选择表面层(5)的方阻为6Ω/sq。
5.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述透明方形贴片的边长为0.4-3.5mm，相邻的两个透明方形贴片的间距为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述背板(1)的方阻为6-15Ω/sq。
7.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述背板(1)、所述透明扇形贴片和所述透明方形贴片的材料分别为氧化铟锡、氧化锡锑和铝掺杂的氧化锌中的一种或多种组合。
8.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述第一频率选择表面层(3)是通过激光蚀刻技术将沉积在第一光学透明基板上的光学透明导电材料蚀刻制得，之后将蚀刻后的第一光学透明基板分别与第一中间介质层(2)和第二中间介质层(4)粘合；
所述第二频率选择表面层(5)是通过激光蚀刻技术将沉积在第二光学透明基板上的光学透明导电材料蚀刻制得，之后将蚀刻后的第二光学透明基板与第二中间介质层(4)粘合。
9.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述第一中间介质层(2)和所述第二中间介质层(4)的材料分别为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、SiO2和钠钙玻璃中的一种或多种组合。
10.根据权利要求1所述的光学透明超宽带雷达与红外双隐身结构，其特征在于，所述第一中间介质层(2)的厚度为1.2-1.8mm，所述第二中间介质层(4)的厚度为1.2-1.8mm。
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