CN112928481A - 一种工作在c波段的耐高温宽带rcs减缩超表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及人工电磁超表面，具体为一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构。本发明利用PB相位，将基本单元按两种方式组合成方阵，排布于整个超表面结构的1、2、3和4四个象限，相邻象限反射波干涉相消，从而实现宽带RCS减缩。本发明超表面结构基于高介电、低损耗的氧化铝陶瓷板，为高温隐身材料设计提供新的思路；所设计的超表面结构不仅能耐高温，而且还具备优异的温度稳定性；将基本单元通过两种相对旋转90°的方式排布使得工程应用更为方便；在4.3‑7.3GHz频率范围内实现‑10dB以下的低反射，最小反射率在6GHz时可达到‑22dB，具有优异的温度稳定性，适用于高温的工作环境。

Description

一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构
技术领域
本发明涉及人工电磁超表面，具体为一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，具有宽带RCS减缩功能。
背景技术
隐身技术是提升武器装备生存力、突防能力和作战效能的关键，世界各军事强国都给予高度重视并严密技术封锁。武器装备隐身的主要途径是外形隐身技术和材料隐身技术。受飞行器气动性能限制，单一的外形设计并不能实现理想的隐身性能。在平衡气动性能及低雷达散射截面(RCS)外形设计前提下，使用隐身材料不失为一种最佳方案。随着武器装备的发展，新一代超音速战机、远程导弹等飞行器在高速飞行时其表面温度通常在几百度，而飞行器尾喷管温度达到上千度。当温度达到居里温度以上，磁性吸收材料性能将全部失效，因此高温隐身材料以电损耗型为主。
在高温环境下，电损耗型吸波材料的相对复介电常数实部通常比常温吸波材料要大，根据Fresnel(菲涅尔)理论可知，如果要实现吸波材料与自由空间良好的阻抗匹配，通常要求吸波材料的相对复介电常数和相对复磁导率相等。因此，电损耗型吸收材料具有频带窄、效率低、厚度大等缺点。
超表面是一种具有奇特物理性质的人工新材料，通过合理设计单元结构，可实现对电磁波的传输特性的精确调控，受到人们的广泛重视。由于超表面的等效电磁参数不会因温度超过居里温度而丧失磁性，因此有望应用于高温隐身材料。近几年，越来越多的研究人员将常温超表面的设计理念应用在高温领域，试图为高温隐身材料设计提供理论指导和方向。目前，报道的高温吸波超表面，概括起来可分为两类：一类是基于电阻型贴片阵列的电阻型吸波超表面；另一类是基于金属贴片阵列的导体型吸波超表面。二者的工作机理都是将电磁波能量转化为热能，从而实现电磁波的吸收。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明的目的在于提出一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩的相位超表面及其制备方法，为高温隐身材料设计提供新思路。
具体技术方案如下：
一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，由两种基本单元按周期排布而成。
所述基本单元从下至上依次为金属底板、中间耐高温陶瓷基板和顶层的金属图形，其中金属底板和中间耐高温陶瓷基板为大小相适应堆叠的正方形。顶层的金属图形为大小相同的矩形，以矩形宽边中线与所属基本单元的对角线重叠放置，且宽边中线的中点与基本单元的中点重叠。
具体的排布周期为：以整个超表面结构的中心点为原点，建立x-y坐标轴，以逆时针方向定义1、2、3和4共四个象限。将基本单元以其金属图形的宽边中线与x轴正方向成45度的方向矩阵排布于第1、4象限，基本单元以其金属图形的宽边中线与x轴负方向成45度的方式矩阵排布于第2、3象限，相邻基本单元间距为零；且单一象限内基本单元的金属图形朝向一致，最终相邻象限内的金属图形互成镜像，1、3象限内的金属图形朝向一致，2、4象限内的金属图形朝向一致。最终每个象限内的基本单元以矩阵的方式排布为不低于6*6的方阵，且各象限的基本单元数量相同。
由于沿基本单元对角线放置的金属图形呈现各向异性，当沿x极化(y极化)电磁波入射时，反射波的极化方向变为y极化(x极化)，实现了90°交叉极化转换。基于Pancharatnam-Berry(PB)相位可知，当金属图形旋转90°之后，将会引入180°的相位差。由于相邻象限反射波的相位差为180°，可将垂直入射波的能量均匀地分散在空间中四个方向，从而实现RCS减缩。
进一步的，上述超表面结构，每个象限的矩阵为6*6～15*15方阵。
进一步的，上述超表面结构，中间耐高温陶瓷基板使用的是氧化铝陶瓷板。基本单元的金属图形和氧化铝陶瓷板底部的金属底板均采用熔点为961.78°的烧结银浆制成。
进一步的，上述超表面结构，优选的氧化铝陶瓷板厚度为3～5mm。优选的烧结银浆方阻为0.01～1Ω/sq，厚度为0.01～0.03mm。
所述的耐高温宽带RCS减缩超表面结构的制备方法，其具体步骤如下：
采用丝网印刷工艺，将用于制备所描述的金属图形的烧结银浆印刷在氧化铝陶瓷板表面，经烘干之后，再将烧结银浆满印在氧化铝陶瓷板的另一面，再次烘干之后将整个样品放入高温炉中烧结，得到所需的耐高温超表面结构。
按上述方案，采用丝网印刷工艺中丝网板目数为200～320，印刷次数为1～3遍；干燥过程的温度为90℃～160℃，干燥时间为10min～30min；烧结过程的最高温度为850℃～920℃，升温速度为3℃/min～10℃/min，保温时长为100min～180min。
本发明首先，利用极化转换的设计为高介电、低损耗的材料设计提供思路，有悖于耐高温材料的常规思路(一般都是高介电，但是有的是高损耗，有的是低损耗，而高损耗的材料都是采用的是电阻型或者导体型吸波超表面，还没有用极化转换引进的相位来解决)，为高介电、低损耗的材料提供一个方向，而不是局限于耐高温材料或者图案；其次，不管是常温还是高温，更多的是实现高频(8GHz以后)，本发明用金属条这一简单的结构通过设计排布规则实现了C波段的RCS减缩，最终本发明利用高介电的材料实现了低频的RCS减缩。
本发明将烧结银浆印制的金属图形和氧化铝陶瓷板制备成耐高温宽带RCS减缩超表面结构，通过调节基本单元的几何参数尺寸以及氧化铝陶瓷板的厚度等来调控反射波的振幅和相位。由于相邻象限反射波的相位差为180°，反射波干涉相消，从而实现RCS的减缩。
本发明提出并制备了一种工作在C波段的宽带耐高温超表面结构，利用PB相位，将基本单元按两种方式组合成方阵，排布于整个超表面结构的1、2、3和4四个象限，相邻象限反射波干涉相消，从而实现宽带RCS减缩。本发明所设计的宽带RCS减缩超表面结构基于高介电、低损耗的氧化铝陶瓷板，为高温隐身材料设计提供新的思路；所设计的超表面结构不仅能耐高温，而且还具备优异的温度稳定性；将基本单元通过两种相对旋转90°的方式排布使得工程应用更为方便。本发明所设计的结构能在4.3-7.3GHz频率范围内实现-10dB以下的低反射，最小反射率在6GHz时可达到-22dB，具有优异的温度稳定性，适用于高温的工作环境。
附图说明
图1为本发明提供的耐高温宽带RCS减缩超表面的基本单元结构示意图。
图2为共极化与交叉极化反射系数随频率的变化曲线。
图3为实施例的耐高温宽带RCS减缩超表面结构。
图4a为实施例制备的超表面结构实物图，b为实施例的测试装置。
图5为实施例制得的耐高温宽带RCS减缩超表面结构的测试结果和仿真结果。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构设计，具体如下：根据极化转换原理设计得到初始的基本单元，结合PB相位的原理，将其中一个基本单元镜像对称得到另一基本单元，实现180°的相位差，然后将两种基本单元组合成6*6阵列的方阵，布阵于1、2、3和4四个象限，相邻象限反射波干涉相消，从而实现宽带RCS减缩。
超表面结构具体排布如下：以整个超表面结构的中心点为原点，建立x-y坐标轴，以逆时针方向定义1、2、3和4共四个象限。将基本单元以其金属图形与x轴正方向成45度的方向矩阵排布于第1、4象限，基本单元以其金属图形与x轴负方向成45度的方式矩阵排布于第2、3象限，相邻基本单元间距为零；且单一象限内基本单元的金属图形朝向一致，最终相邻象限内的金属图形互成镜像，1、3象限内的金属图形朝向一致，2、4象限内的金属图形朝向一致。
其中基本单元从下至上依次为金属底板、中间耐高温陶瓷板和顶层的金属图案，如图1所示，其中金属底板和中间耐高温陶瓷板的长宽均为p。金属条的长度为l，宽度为w。将其中一种基本单元旋转90°，即可得到另一种基本单元。在本实施例中，基本单元的具体优选尺寸为：p＝15mm，l＝9.55mm，w＝2.86mm。
中间耐高温陶瓷板的材料优选为氧化铝陶瓷板，介电常数为9.7，损耗正切为0.017；厚度优选为4mm。金属图形和金属底板均优选采用烧结银浆制成，烧结银浆的方阻优选为0.6Ω/sq，厚度优选为0.018mm。
采用rxx和ryy代表共极化反射系数，ryx和rxy代表交叉极化反射系数。利用商业仿真软件CST(CST STUDIO SUITE)进行全波电磁仿真，得到如图2所示的共极化和交叉极化反射系数随频率的变化曲线(其中rxx和ryy为共极化反射系数，rxy和ryx为交叉极化反射系数)。在4.3～7.3GHz，交叉极化反射系数ryx和rxy均在0.9以上，表明在垂直入射下，两种极化的电磁波都可以实现高效的交叉极化转换。其中，ryx和rxy曲线在4.6GHz、5.7GHz和7.2GHz处产生三个强烈的谐振点，表明在这三个频点处x极化(或y极化)的入射波几乎全部转换成了y极化(或x极化)的反射波。通过将基本单元旋转90°得到另一基本单元，将两种基本单元组合成6*6阵列的方阵，布阵于1、2、3和4四个象限，如图3所示。由于相邻象限具有180°的相位差，反射波会发生干涉相消，入射的电磁波能量均匀地散射到空间中四个方向，进而实现RCS的减缩。
采用丝网印刷工艺(丝网目数为300目，印刷1次)，将用于制备所描述的金属图形的烧结银浆印刷在氧化铝陶瓷板表面，经120℃烘干10min之后，再将烧结银浆印满在氧化铝陶瓷板的另一面，再次烘干(120℃，20min)之后将整个样品放入高温炉中烧结，待降到室温后取出样品，得到所需的耐高温超表面样品实物图，如图4(a)所示。高温炉的初始温度为室温25℃，烧结最高温度为900℃，升温速率为4.86℃/min，保温时间为120min。图4(b)为反射率测试装置图。
实施例制备的耐高温宽带RCS减缩超表面结构在室温、300℃、500℃的测试结果和仿真结果如图5所示。可以观察到，室温反射率测试结果与仿真结果吻合较好，在4.3-7.3GHz频率范围内实现-10dB以下的低反射。另外，由300℃和500℃的高温测试结果可知，本发明所设计的超表面结构具有优异的温度稳定性。

Claims (6)

1.一种工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，其特征在于：由基本单元按周期排布而成；
所述基本单元从下至上依次为金属底板、中间耐高温陶瓷基板和顶层的金属图形，其中金属底板和中间耐高温陶瓷基板为大小相适应堆叠的正方形；顶层的金属图形为大小相同的矩形，以矩形宽边中线与所属基本单元的对角线重叠放置，且宽边中线的中点与基本单元的中点重叠；
具体的排布周期为：以整个超表面结构的中心点为原点，建立x-y坐标轴，以逆时针方向定义1、2、3和4共四个象限；将基本单元以其金属图形的宽边中线与x轴正方向成45度的方向矩阵排布于第1、4象限，基本单元以其金属图形的宽边中线与x轴负方向成45度的方式矩阵排布于第2、3象限，相邻基本单元间距为零；且单一象限内基本单元的金属图形朝向一致，最终相邻象限内的金属图形互成镜像，1、3象限内的金属图形朝向一致，2、4象限内的金属图形朝向一致；最终每个象限内的基本单元以矩阵的方式排布为不低于6*6的方阵，且各象限的基本单元数量相同。
2.如权利要求1所述工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，其特征在于：所述每个象限的矩阵为6*6～15*15方阵。
3.如权利要求1所述工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，其特征在于：所述中间耐高温陶瓷基板使用的是氧化铝陶瓷板.
4.如权利要求3所述工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，其特征在于：所述氧化铝陶瓷板厚度为3～5mm。
5.如权利要求1所述工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，其特征在于：所述基本单元的金属图形和金属底板均采用熔点为961.78°的烧结银浆制成。
6.如权利要求5所述工作在C波段的耐高温宽带RCS减缩超表面结构，其特征在于：所述烧结银浆方阻为0.01～1Ω/sq，厚度为0.01～0.03mm。
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