CN113540812B - 一种s、c和x波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置，属于电磁隐身材料及制备技术领域。包括：氧化铟锡ITO层Ⅰ、氧化铟锡ITO层Ⅱ、涤纶树脂PET层Ⅰ、涤纶树脂PET层Ⅱ和聚二甲基硅氧烷PDMS层；氧化铟锡ITO层Ⅰ为谐振结构ITO层，构成吸波转换层；氧化铟锡ITO层Ⅱ为无结构的整面ITO层位于装置第五层，作为底部反射层；涤纶树脂PET层Ⅰ和层Ⅱ为谐振结构和底部反射层的衬底层，分别为第二层和第四层。第三层为聚二甲基硅氧烷PDMS层构成介质层；该超材料隐身装置可对入射电磁波进行极化转换和电磁吸收，达到电磁混淆的双功能隐身效果，还具备柔性共型和光学透明的特性，可广泛应用于如屏幕、战斗机机舱玻璃等需要电磁屏蔽或隐身的可视化设备上。

Description

一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置

技术领域

本发明涉及一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置，属于电磁隐身材料及其制备技术领域。

背景技术

随着现代电磁技术的发展，雷达侦测系统的精度日益提高，范围逐渐扩大，近空间防护领域加大了对电磁隐身材料技术的研究投入，才可以在这场军事竞赛中取得对等地位，同时5G通信技术的更新换代，使人们生活环境中的电磁污染日益加重，日常的电磁防护和降低电磁干扰更加促进了电磁隐身材料技术的需求。

但现阶段电磁隐身材料大步幅采用表面涂层的方式进行覆盖，例如铁氧体、羰基铁等电磁吸波材料，存在吸收效果不好、质量差和频段窄等缺陷。而提出的以超材料为基础的电磁隐身材料大部分为刚性材料，缺乏柔性，难以与物体表面贴合，同时由于这些电磁隐身材料的隐身方式大部分是通过涂料和结构的谐振损耗产生电磁吸收或者通过极化转换进行反射，导致电磁隐身方式过于单一，且大部分为非透明材料，并不能应用于如战斗机机舱玻璃、屏幕等需要电磁屏蔽或隐身的可视化设备上。

本发明的目的是致力于解决上述电磁隐身材料的吸收效率低、频段窄、难共形、非透明、隐身方式单一的缺陷，提出了一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置。

发明内容

本发明的目的是致力于解决上述电磁隐身材料的吸收效率低、频段窄、难共形、非透明、隐身方式单一的缺陷，提出了一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，通过利用电阻薄膜、柔性透明介质材料和结构设计，一方面减少材料厚度增加隐身装置柔性；另一方面，该隐身装置可对入射电磁波进行电磁吸收消耗，同时还可以将入射电磁波进行极化转换并反射出去，产生电磁混淆。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

所述柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，包括五层材料：氧化铟锡ITO层Ⅰ、氧化铟锡ITO层Ⅱ、涤纶树脂PET层Ⅰ、涤纶树脂PET层Ⅱ和聚二甲基硅氧烷PDMS层；

其中，ITO，即氧化铟锡；氧化铟锡ITO层Ⅰ和氧化铟锡ITO层Ⅱ统称为氧化铟锡ITO层：氧化铟锡ITO层Ⅰ为谐振结构ITO层位于装置第一层，构成吸波转换层，提供电磁波电磁吸收和极化转换；氧化铟锡ITO层Ⅱ为无结构的整面ITO层位于装置第五层，作为底部反射层防止电磁波透射；

隐身装置第二层是涤纶树脂PET层Ⅰ，作为谐振结构的衬底层，起到支撑作用。第三层为聚二甲基硅氧烷PDMS层构成介质层，该介质层用于增加电磁损耗；第四层是涤纶树脂PET层Ⅱ为底部反射层的衬底层，起到支撑作用；

所述谐振结构ITO层组成的表面谐振结构包括各向异性结构和各向同性结构两部分；

其中，矩形开口环为各向异性结构，十字形耶路撒冷结构为各向同性结构；

氧化铟锡ITO层Ⅰ组成表面谐振结构并与谐振结构的衬底层相连；谐振结构ITO层通过磁控溅射的方式沉积在涤纶树脂PET层Ⅰ表面A面；氧化铟锡ITO层Ⅱ通过磁控溅射的方式沉积在涤纶树脂PET层Ⅱ的表面A面；

涤纶树脂PET层Ⅰ表面B面以及涤纶树脂PET层Ⅱ的表面B面与聚二甲基硅氧烷PDMS层通过键合进行连接；

上述五层中选取的氧化铟锡ITO、涤纶树脂PET及聚二甲基硅氧烷PDMS材料，均为柔性且光学透明材料；

其中，以涤纶树脂PET为衬底氧化铟锡ITO导电薄膜，全光线透过率：≥80％，卷曲：≤10mm；聚二甲基硅氧烷PDMS全光线透过率：≥95％，具备柔性；

所述柔性透明电磁混淆超材料隐身装置中各层的连接关系如下：

谐振结构ITO层与谐振结构的衬底层相连，谐振结构的衬底层与聚二甲基硅氧烷PDMS层相连，聚二甲基硅氧烷PDMS层与底部反射层的衬底层相连，底部反射层的衬底层与无结构的整面ITO底部反射层相连；

所述柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、氧化铟锡ITO层Ⅰ通过磁控溅射的方式沉积在光刻后的涤纶树脂PET层Ⅰ表面A面；

步骤2、氧化铟锡ITO层Ⅱ通过磁控溅射的方式沉积在涤纶树脂PET层Ⅱ的表面A面；

步骤3、涤纶树脂PET层Ⅰ表面B面以及涤纶树脂PET层Ⅱ的表面B面与聚二甲基硅氧烷PDMS层通过键合进行连接。

有益效果

所述一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，相比现有技术，具有如下有益效果：

1.所述超材料隐身装置，具备对入射电磁波进行电磁吸收和极化转化的复合隐身功能，在将特定极化的入射电磁波电磁吸收的同时转化成不同极化状态反射出去，提供复杂隐身反馈，提高隐身性能，形成电磁混淆的电磁隐身作用，具体体现在：

A)所述氧化铟锡ITO层Ⅰ的表面谐振结构中的各向异性结构对入射电磁波进行极化转化的作用；

B)各向同性结构因结构谐振损耗和ITO的欧姆损耗，能对入射电磁波产生电磁吸收；

2.所述超材料隐身装置，在3.8GHz到10.2GHz之间可对正交极化入射电磁波产生的吸收偏转达到90％以上；

所述超材料隐身装置的电磁吸收达到50％以上，极化转化达到40％以上，可覆盖到S、C和X波段，其中C波段完全覆盖，具有工作频段宽的优势；

3.所述隐身超材料，采用的组成材料氧化铟锡ITO、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET和聚二甲基硅氧烷PDMS均为柔性材料且在可见光波段下的透光率均在85％以上，该超材料隐身装置制备完成后对整体透光率进行了测试，其在可见光波段下的整体透光率达到75％以上。

附图说明

图1为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的单元结构图；

图2为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置阵列结构示意图；

图3为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的单元结构尺寸和工作原理图；

图4为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的吸收转换率；

图5为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的吸收率；

图6为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的极化转换率；

图7为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的极化转换效率；

图8为本发明一种S、C和X波段制备的柔性透明电磁混淆超材料隐身装置样本图片；

图9为本发明一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置的透光率测试结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明所述的一种S、C和X波段柔性透明电磁混淆超材料隐身装置进行详细阐述。

实施例1

由图1的单元结构示意图所示，该超材料的表面谐振结构设计采用了各向异性的开口环和各向同性的十字耶路撒冷结构，各向异性结构是众多超材料极化转换器所采纳的结构，根据电磁波在超材料中的传播特性，可改变超材料的特性，进而改变入射电磁波的极化模式，各向同性结构能使超材料的表面结构产生谐振损耗，将入射电磁波的能量转化成热能。

柔性透明电磁混淆超材料隐身装置将二者结构的优势进行结合，谐振结构材料采用的是ITO，其构成的谐振结构对入射电磁波在发生谐振损耗的同时可进行欧姆损耗，加强对入射电磁波的消耗，提高电磁吸收效果，并采用矩形开口环增强各向异性，实现对入射电磁波的极化转换。所述超材料隐身装置，具备对入射电磁波进行电磁吸收和极化转化的复合隐身功能，在将特定极化的入射电磁波电磁吸收的同时转化成不同极化状态反射出去，提供复杂隐身反馈，提高隐身性能，形成电磁混淆的电磁隐身作用。实现对入射电磁波的复合电磁调控，达到电磁吸收和极化转换的复合电磁隐身，形成的阵列效果如图2所示。

其中，所形成的形成电磁混淆的电磁隐身作用，体现在：

A)所述氧化铟锡ITO层Ⅰ的表面谐振结构中的各向异性结构对入射电磁波进行极化转化的作用；

B)各向同性结构因结构谐振损耗和ITO的欧姆损耗，能对入射电磁波产生电磁吸收。

图3表示了柔性透明电磁混淆超材料隐身装置整体结构设计和材料选择以及具体尺寸参数，整体结构是采用“三明治”的超材料结构设计，设计为表面谐振结构层ITO-PET薄膜，中间介质层PDMS薄膜，底部反射层ITO-PET薄膜，PDMS可以提高对入射电磁波的电磁损耗，谐振结构材料和基板材料选用面阻型材料ITO，可以增加对入射电磁波的欧姆损耗，增强超材料的吸波性能，同时这三种材料可以提高超材料的透光性和柔性，可以使其更易贴合物体表面利于可视观察，具体尺寸为：c＝0.4mm，h＝0.7mm，I＝1.06，U＝1.115，L＝2mm，ITO厚度为19μm，PET厚度为50μm，PDMS厚度为1.4mm。

原理部分：柔性透明电磁混淆超材料隐身装置在计算分析上也与传统的超材料吸波器的公式计算不同，其反射平面波包含着正交极化分量和交叉极化分量，当入射波进入其内部进行反射时，需要同时考虑这两个分量，所以该超材料的电磁吸收率A(ω)表示为：

公式中，

是正交极化反射系数，

是交叉极化反射系数。吸收率如图5所示，在3.8GHz到10.2GHz之间平均电磁吸收率为55％以上，柔性透明电磁混淆超材料隐身装置可以对55％左右入射的正交极化电磁波产生谐振损耗和欧姆损耗进行电磁吸收掉。即所述超材料隐身装置的电磁吸收达到50％以上，极化转化达到40％以上，可覆盖到S、C和X波段，其中，C波段完全覆盖，具有工作频段宽的优势。

由于该柔性透明超材料具备电磁吸收和极化转换的两种功能，为了能综合的分析其两种功能对入射电磁波的作用，可以单独分析其表面正交极化反射系数，来表征其双项调控对入射电磁波的工作效果，即吸收转换率AC，其公式表达为：

吸收转换率如图4所示在3.8GHz到10.2GHz之间对正交极化入射电磁波的吸收转换率达到90％以上，在10.12GHz达到99.5％以上接近完美吸收转换，表明该超材料可以将在3.8GHz到10.2GHz之间将90％入射的正交极化电磁波进行电磁吸收和极化转化，实现宽频段隐身。

极化转换率C(ω)是分析超材料对正交极化入射电磁波偏转成交叉极化电磁波的能力，其公式表达为：

极化转换率如图6所示：

在3.8GHz到10.2GHz对所入射的40％以上的正交极化入射电磁波实现极化转换。

单纯看极化转换的效率，需要分析单模式下交叉极化反射系数与总极化的比值，即极化转换效率PCR表达为：

极化转换效率如图7所示，在3.8GHz到10.2GHz内40％的正交极化入射电磁波内转化成交叉极化的电磁波效率为85％以上。

总之，所述隐身超材料，采用的组成材料氧化铟锡(ITO)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)均为柔性材料且在可见光波段下的透光率均在85％以上，同时超材料隐身装置制备完成后对整体透光率进行了测试，其在可见光波段下的整体透光率达到75％以上。

制备过程：利用光刻技术制备出具有结构的PET衬底，采用直流磁控溅射技术将ITO薄膜沉积在PET薄膜上，制备出所设计的具有结构的ITO-PET薄膜。无图案的ITO-PET薄膜直接采用直流磁控溅射技术将ITO薄膜沉积在PET薄膜上制备出。制备PDMS薄膜，按照树脂(15-20)：固化剂(1-2)的比例进行融合搅拌，放入磨具固化形成PDMS薄膜。利用氧等离子表面处理机将已制备好的两个ITO-PET薄膜无ITO表面进行化学改性，再将PDMS也用氧等离子表面处理机进行处理，使其表面引入亲水性质的羟基-OH基团取代已有的次甲基-CH基团达到亲水性质。最后将两个ITO-PET薄膜与PDMS进行键合，形成不可逆的键合状态达到形成一个整体的效果。具体加工的其他工作频段样本实物如图8所示，其透光率在可见光波段下为75％以上如图9所示。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：可覆盖到S、C和X波段，其中，C波段完全覆盖，且在3.8GHz到10.2GHz之间可对正交极化入射电磁波产生的吸收偏转达到90％以上；包括五层材料：氧化铟锡ITO层Ⅰ、氧化铟锡ITO层Ⅱ、涤纶树脂PET层Ⅰ、涤纶树脂PET层Ⅱ和聚二甲基硅氧烷PDMS层；

其中，ITO，即氧化铟锡；氧化铟锡ITO层Ⅰ和氧化铟锡ITO层Ⅱ统称为氧化铟锡ITO层：氧化铟锡ITO层Ⅰ为谐振结构ITO层位于装置第一层，构成吸波转换层，提供电磁波电磁吸收和极化转换；氧化铟锡ITO层Ⅱ为无结构的整面ITO层位于装置第五层，作为底部反射层防止电磁波透射出去；

所述谐振结构ITO层组成的表面谐振结构包括各向异性结构和各向同性结构两部分；

矩形开口环为各向异性结构，十字形耶路撒冷结构为各向同性结构；

隐身装置第二层是涤纶树脂PET层Ⅰ，作为谐振结构的衬底层，起到支撑作用；第三层为聚二甲基硅氧烷PDMS层构成介质层，该介质层用于增加电磁损耗；第四层是涤纶树脂PET层Ⅱ为底部反射层的衬底层，起到支撑作用；

所述柔性透明电磁混淆超材料隐身装置中各层的连接关系如下：

谐振结构ITO层与谐振结构的衬底层相连，谐振结构的衬底层与聚二甲基硅氧烷PDMS层相连，聚二甲基硅氧烷PDMS层与底部反射层的衬底层相连，底部反射层的衬底层与无结构的整面ITO底部反射层相连；

所述氧化铟锡ITO层Ⅰ及氧化铟锡ITO层Ⅱ的厚度均为19μm，所述涤纶树脂PET层Ⅰ及涤纶树脂PET层Ⅱ的厚度均为50μm，PDMS厚度为1.4mm。

2.根据权利要求1所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：氧化铟锡ITO层Ⅰ组成表面谐振结构并与谐振结构的衬底层相连。

3.根据权利要求2所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：谐振结构ITO层通过磁控溅射的方式溅射在涤纶树脂PET层Ⅰ表面A面。

4.根据权利要求3所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：氧化铟锡ITO层Ⅱ通过磁控溅射的方式溅射涤纶树脂PET层Ⅱ的表面A面。

5.根据权利要求4所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：涤纶树脂PET层Ⅰ表面B面以及涤纶树脂PET层Ⅱ的表面B面与聚二甲基硅氧烷PDMS层通过键合进行连接。

6.根据权利要求5所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：所述五层中选取的氧化铟锡ITO、涤纶树脂PET及聚二甲基硅氧烷PDMS材料，均能在常温下任意弯曲且光学透明。

7.根据权利要求6所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：以涤纶树脂PET为衬底氧化铟锡ITO导电薄膜，全光线透过率：≥80％，卷曲：≤10mm；聚二甲基硅氧烷PDMS全光线透过率：≥95％，可任意弯曲。

8.根据权利要求7所述的一种柔性透明电磁混淆作用的超材料隐身装置，其特征在于：所述超材料隐身装置的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、氧化铟锡ITO层Ⅰ通过磁控溅射的方式溅射在涤纶树脂PET层Ⅰ表面A面；

步骤2、氧化铟锡ITO层Ⅱ通过磁控溅射的方式溅射涤纶树脂PET层Ⅱ的表面A面；

步骤3、涤纶树脂PET层Ⅰ表面B面以及涤纶树脂PET层Ⅱ的表面B面与聚二甲基硅氧烷PDMS层通过键合进行连接。

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