CN114256632B - 一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，包括感应耦合等离子体激发装置，其包括电源系统和真空系统；电源系统包括放电腔室、射频电源及通过射频阻抗匹配器与射频电源连接的放电线圈；真空系统包括与放电腔室连通的真空泵及工质气体罐，通过控制真空泵及工质气体罐开启及关闭调节放电腔室内部的气压，为放电腔室提供低气压放电环境。本发明通过改变等离子体的参数，达到复合结构的主动可调的宽频吸波效果，以适应当前复杂的电磁环境；通过等离子体多重反射、折射和衰减作用的电磁波进入到蜂窝孔格壁面上后，可以在孔格内进行多次反射吸收，从而充分发挥蜂窝吸波结构的吸波性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种电感耦合等离子体复合蜂窝吸波结构的宽频主动可调的吸波结构，具体为一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构。
背景技术
近年来，宽频隐身也成为军事领域中隐身技术的研究热点，并且宽频雷达已经成为常规隐身飞机的重大威胁。结构型吸波材料是集结构与功能于一体的新型材料，在军事、航天等领域具有可观的应用前景。蜂窝吸波结构作为一种结构型吸波材料具有介电性能良好以及承载能力强的优点，在一些需要轻量化设计的隐身部件应用广泛，例如隐身飞机的表面和机翼处。在不降低吸波性能的前提下，蜂窝吸波结构可以很大程度上减小吸波材料的重量。通常，如果要实现宽频隐身效果的话，就需要增加吸波蜂窝芯的高度以及吸收剂的含量，这就会增加隐身飞机的总重量，从而影响隐身飞机的机动性能。同时，蜂窝吸波结构在设计并制造完成后，其吸波频带和吸波强度较为固定，不能适应当前复杂多变的电磁环境。因此，需要发展与之匹配的宽频以及吸波效果主动可调的吸波结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，用于提供一种吸波频带及吸波强度均可以调节的吸波结构。
本发明提供一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，包括：
感应耦合等离子体激发装置，其包括电源系统和真空系统；
所述电源系统包括放电腔室、射频电源及通过射频阻抗匹配器与射频电源连接的放电线圈；
所述真空系统包括与放电腔室连通的真空泵及工质气体罐，通过控制所述真空泵及工质气体罐开启及关闭调节所述放电腔室内部的气压，为所述放电腔室提供低气压放电环境；
薄层蜂窝吸波结构，设置在所述放电腔室内部，所述放电线圈呈螺旋状分布，穿设在所述薄层蜂窝吸波结构内部；
所述射频电源放电使所述放电腔室内的放电线圈产生电磁波，所述电磁波与薄层蜂窝吸波结构激发产生电子密度梯度分布不同的等离子体；所述射频阻抗匹配器用于调节电磁波的反射功率；
所述放电腔室中的电磁波经过电子密度梯度分布不同的等离子体的多重反射、折射以及衰减后，进入到所述薄层蜂窝吸波结构的蜂窝孔格壁面上，并在所述薄层蜂窝吸波结构的孔格内进行多次反射吸收。
优选的，所述放电腔室与真空泵之间设有真空计，所述真空计用于监测放电腔室的气压。
优选的，所述放电腔室与工质气体罐之间设有气体质量流量计，所述气体质量流量计用于监测工质气体的流量。
优选的，所述气体质量流量计与放电腔室之间设有真空球阀，所述真空球阀用于控制工质气体罐与放电腔室连接气路的开启与关闭，关闭所述真空球阀后，所述放电腔室内的气压保持不变。
优选的，所述薄层蜂窝吸波结构包括蜂窝芯和吸波涂层，所述蜂窝芯为芳纶纸材质，所述吸波涂层为碳粉材质，利用浸渍工艺使吸波涂层附着在蜂窝芯上。
优选的，通过调节所述等离子体的参数使所述电磁波与薄层蜂窝吸波结构激发产生电子密度梯度分布不同的等离子体，所述等离子体的参数包括等离子体振荡频率，等离子体碰撞频率。
优选的，调节所述等离子体的参数的方法包括调节所述射频电源的射频功率、调节所述放电腔室内部的气压、改变所述放电腔室的腔体厚度、改变所述放电线圈的匝数中的一种或多种。
优选的，所述放电腔室为方形可拆卸的放电腔室，所述放电腔室为石英材质。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在放电腔室中设置薄层蜂窝吸波结构，引入了等离子体的吸波机制，可以对放电腔室中的电磁波进行二次衰减；通过改变等离子体的参数，达到复合结构的主动可调的宽频吸波效果，以适应当前复杂的电磁环境；通过等离子体多重反射、折射和衰减作用的电磁波进入到蜂窝孔格壁面上后，可以在孔格内进行多次反射吸收，从而充分发挥蜂窝吸波结构的吸波性能。通过改变感应耦合等离子体的参数，达到复合结构的主动可调的宽频吸波效果。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明中的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构的整体系统连接框图；
图2为本发明中的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构的的蜂窝吸波复合结构示意图；
图3为本发明中的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构的蜂窝吸波整体结构示意图；
图4为本发明中的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构的蜂窝吸波单元结构示意图；
图5为本发明中的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构的蜂窝吸波单元结构的侧视图；
图6为本发明中的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构的的反射率测试结果曲线图。
具体实施方式
下面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、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
如图1-6一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，包括感应耦合等离子体激发装置，其包括电源系统和真空系统；
电源系统包括放电腔室，电源系统包括放电腔室、射频电源及通过射频阻抗匹配器与射频电源连接的放电线圈，放电腔室为方形20×20×3cm3可拆卸的放电腔室，放电腔室为透波率较高的石英材质。
真空系统，包括与放电腔室连通的真空泵及工质气体罐，通过控制真空泵及工质气体罐开启及关闭调节放电腔室内部的气压，为放电腔室提供低气压放电环境，本实施例中的工质气体罐中盛有氩气。
放电腔室内设有薄层蜂窝吸波结构，薄层蜂窝吸波结构包括蜂窝芯和吸波涂层，蜂窝芯为芳纶纸材质，吸波涂层为碳粉材质，利用浸渍工艺使吸波涂层附着在蜂窝芯上。薄层蜂窝吸波结构的厚度约为6mm，主要的吸波频带在10GHz附近。
薄层蜂窝吸波结构，设置在所述放电腔室内部，所述放电线圈呈螺旋状分布，穿设在所述薄层蜂窝吸波结构内部。
射频电源放电使放电腔室内的放电线圈产生电磁波，电磁波与薄层蜂窝吸波结构激发产生电子密度梯度分布不同的等离子体；射频阻抗匹配器用于调节电磁波的反射功率。在电源系统中，射频电源工作频率为13.56MHz，额定功率为1000W，射频阻抗匹配器放置在放电腔室与放电线圈之间，用于调节电磁波的反射功率并使其达到最小。
放电腔室中的电磁波经过电子密度梯度分布不同的等离子体的多重反射、折射以及衰减后，进入到薄层蜂窝吸波结构的蜂窝孔格壁面上，并在薄层蜂窝吸波结构的孔格内进行多次反射吸收。
通过调节等离子体的参数使电磁波与薄层蜂窝吸波结构激发产生电子密度梯度分布不同的等离子体，等离子体的参数包括等离子体振荡频率，等离子体碰撞频率。通过调节等离子体的参数，获得特定频带的吸波效果，实现主动可调的宽频吸波。等离子体的参数包括等离子体振荡频率，等离子体碰撞频率。调节等离子体的参数的方法包括调节射频电源的射频功率、调节放电腔室内部的气压、改变放电腔室的腔体厚度、改变放电线圈的匝数中的一种或多种。
放电腔室与真空泵之间设有真空计，真空计用于监测放电腔室的气压。
放电腔室与工质气体罐之间设有气体质量流量计，气体质量流量计用于监测工质气体的流量。
气体质量流量计与放电腔室之间设有真空球阀，真空球阀用于控制工质气体罐与放电腔室连接气路的开启与关闭，关闭真空球阀后，放电腔室内的气压保持不变。
如图2，可拆卸腔室内部放置蜂窝吸波结构，在蜂窝吸波结构孔格内部可以激发产生等离子体。
如图3，薄层蜂窝吸波结构由芳纶纸通过浸渍吸波涂料制成，其中芳纶纸构成了蜂窝吸波结构的基底材料，相对介电常数为εr1＝1.6，相对磁导率为μr1＝1，吸波涂料的成分主要为碳粉，其相对介电常数由实验测量获得。
如图4-5，给出了蜂窝吸波结构的单元模型，蜂窝单元模型是由蜂窝芯以及吸波涂层结构组成，整个蜂窝单元的大小为其中，r＝2.75mm，蜂窝芯的厚度为h1＝0.1mm，吸波涂层厚度为t＝0.088mm，蜂窝芯的高度为h2＝6mm。由上述单元结构组成薄层蜂窝吸波结构，面积为20×20cm2。
用于验证本发明中的基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构吸波效果的方法，包括如下步骤：
S1：将基于感应耦合等离子体的蜂窝吸波复合结构置于拱形法测试系统中，向等离子体蜂窝吸波复合结构发射频率为2-18Ghz的电磁波，微波信号由矢量网络分析仪产生，并且由该拱形法测试系统中的其中一个喇叭天线发射后，依次经过石英腔体壁面、蜂窝吸波结构、金属板，经过反射后由该拱形法测试系统中的另一个喇叭天线接收，测量此时未激发等离子体时复合吸波结构的反射率；
S2：通过真空泵对放电腔室进行抽气，并充入工质气体罐中的工质气体，使气压保持在15pa，打开射频电源，调节功率范围为200-600W，在蜂窝吸波结构的孔格内激发出等离子体，向等离子体蜂窝吸波复合结构发射频率为2-18Ghz的电磁波，通过改变射频电源的功率，改变放电腔体内部的气压，改变放电腔室的腔体厚度，改变放电线圈的匝数，实现等离子体的参数调节，从而得到不同条件下的等离子体蜂窝吸波复合结构的反射率；
S3：对步骤S1和步骤S2所得结果进行对比。对比结果如图6所示。当Ar的气压为15pa、射频功率为200w时，等离子体蜂窝吸波复合结构的-10dB吸波带宽为10.5GHz(3.8-4.5GHz、6-6.8GHz、7.6-14.8GHz、16.2-18GHz)，最大反射率谷值为-19.3dB，随着功率的增加，等离子体蜂窝吸波复合结构的吸波带宽和反射率谷值也进一步增大，改善了吸波效果。实现了主动可调的宽频吸波效果。
最后说明的是：以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，其特征在于，包括：
感应耦合等离子体激发装置，其包括电源系统和真空系统；
所述电源系统包括放电腔室、射频电源及通过射频阻抗匹配器与射频电源连接的放电线圈；
所述真空系统包括与放电腔室连通的真空泵及工质气体罐，通过控制所述真空泵及工质气体罐开启及关闭调节所述放电腔室内部的气压，为所述放电腔室提供低气压放电环境；
薄层蜂窝吸波结构，设置在所述放电腔室内部，所述放电线圈呈螺旋状分布，穿设在所述薄层蜂窝吸波结构内部；
所述射频电源放电使所述放电腔室内的放电线圈产生电磁波，所述电磁波与薄层蜂窝吸波结构激发产生电子密度梯度分布不同的等离子体；所述射频阻抗匹配器用于调节电磁波的反射功率；
所述放电腔室中的电磁波经过电子密度梯度分布不同的等离子体的多重反射、折射以及衰减后，进入到所述薄层蜂窝吸波结构的蜂窝孔格壁面上，并在所述薄层蜂窝吸波结构的孔格内进行多次反射吸收；
其中，通过调节所述等离子体的参数使所述电磁波与薄层蜂窝吸波结构激发产生电子密度梯度分布不同的等离子体，所述等离子体的参数包括等离子体振荡频率，等离子体碰撞频率；
调节所述等离子体的参数的方法包括调节所述射频电源的射频功率、调节所述放电腔室内部的气压、改变所述放电腔室的腔体厚度、改变所述放电线圈的匝数中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，其特征在于：所述放电腔室与真空泵之间设有真空计，所述真空计用于监测放电腔室的气压。
3.根据权利要求1所述的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，其特征在于：所述放电腔室与工质气体罐之间设有气体质量流量计，所述气体质量流量计用于监测工质气体的流量。
4.根据权利要求3所述的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，其特征在于：所述气体质量流量计与放电腔室之间设有真空球阀，所述真空球阀用于控制工质气体罐与放电腔室连接气路的开启与关闭；
关闭所述真空球阀后，所述放电腔室内的气压保持不变。
5.根据权利要求1所述的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，其特征在于：所述薄层蜂窝吸波结构包括蜂窝芯和吸波涂层，所述蜂窝芯为芳纶纸材质，所述吸波涂层为碳粉材质，利用浸渍工艺使吸波涂层附着在蜂窝芯上。
6.根据权利要求1所述的一种基于感应耦合等离子体的新型蜂窝吸波复合结构，其特征在于：所述放电腔室为方形可拆卸的放电腔室，所述放电腔室为石英材质。
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| 陈俊霖 ; 徐浩军 ; 魏小龙 ; 陈增辉 ; 吕晗阳 ; .感性耦合夹层等离子体隐身天线罩电磁散射分析.航空学报.2017,(第03期),全文. * |
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| CN114256632A (zh) | 2022-03-29 |
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