CN115084869A - 一种超宽带广角域隐身结构材料 - Google Patents

一种超宽带广角域隐身结构材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带广角域隐身结构材料，包括：介质板，设于介质板下表面的反射膜，设于介质层的上表面的多个水平吸波结构，以及多个与水平吸波结构一一对应的竖直吸波结构，多个水平吸波结构呈阵列分布，每个水平吸波结构包括多个水平吸波单元，多个水平吸波单元呈N×N阵列分布，所述竖直吸波结构固定于水平水平结构上端面的中心位置，其包括立方介质块和四个竖直吸波单元，四个竖直吸波单元沿立方介质块的周向分设在其四个侧面上。本发明解决了多模式电磁波广角域的阻抗失配难题，在军事航空航天和民用电子元器件等领域具有应用前景。

Description

一种超宽带广角域隐身结构材料
技术领域
本发明涉及隐身材料与结构技术领域，特别涉及一种超宽带广角域隐身结构材料。
背景技术
随着现代探测技术的发展，对于宽带吸波材料的要求越来越高。传统碳基、铁基等吸波材料的吸收强度和吸波宽度难以满足要求；对于某些特殊异形构件，电磁波照射角度将超过常规的0～40°范围，材料及结构的吸波性能必然退化；多极化TE波和TM波的精准探测，更是对多模式电磁波吸收材料提出了更高要求。
超构材料与技术的发展，从材料和结构上为隐身结构的设计提供了新思路。专利号为CN107069234B的专利文献公开以八边形超结构和多孔材料作为中间层，实现了4～18GHz的宽频吸波功能，TE波和TM波的吸收率均大于90％，但随着入射角度增大，吸收率将会明显降低，当入射角大于60°时，吸收率将不足70％。专利号为CN 111695217 B的专利文献公开了基于3D打印技术思想的宽角度吸波超结构设计方法，通过控制吸收剂种类、成分配比以及超结构大小等诸多参数的变化，实现了13～18GHz内宽角度吸波，其中TE波在0～65°内吸收率大于90％，TM波在0～78°吸收率大于90％。但其匹配层数多，相对厚度大，整体密度较大，没有从理论上完成极化无关吸波的设计。可见，亟需发展超宽带广角域的隐身结构技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种拓宽角域吸波范围的超宽带广角域隐身结构材料。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种超宽带广角域隐身结构材料，包括：介质板，设于介质板下表面的反射膜，设于介质层的上表面的多个水平吸波结构，以及多个与水平吸波结构一一对应的竖直吸波结构，多个水平吸波结构呈阵列分布，每个水平吸波结构包括多个水平吸波单元，多个水平吸波单元呈N×N阵列分布，所述竖直吸波结构固定于水平水平结构上端面的中心位置，其包括立方介质块和四个竖直吸波单元，四个竖直吸波单元沿立方介质块的周向分设在其四个侧面上。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，所述N＝4。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，水平吸波单元包括左前水平吸波模块、右前水平吸波模块、右后水平吸波模块和左后水平吸波模块，相邻两个水平吸波模块的间距为w1，相邻两个水平吸波单元的间距为0；设左前水平吸波模块的左半部均分为10×5个第一分区，其中第1×1、2×1、2×2、2×5、3×2、3×5、4×2、5×1、5×3、5×4、6×4、6×5、7×3、8×1、8×3、8×4、8×5、9×3、9×4、9×5、10×3、10×5位置的第一分区具有第一吸波膜，其余位置的第一分区不具有吸波膜，以形成第一图案，第一图案以其右边长为镜像轴镜像，以形成第二图案，第一图案和第二图案构成左前水平吸波模块，左前水平吸波模块以水平吸波单元的几何中心为中心按顺时针分别旋转90°、180°和270°，以分别形成右前水平吸波模块、右后水平吸波模块和左后水平吸波模块。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，竖直吸波单元包括左前竖直吸波模块、右前竖直吸波模块、右后竖直吸波模块和左后竖直吸波模块，相邻两个竖直吸波模块的间距为0，所述竖直吸波单元的边缘与立方介质块侧面对应边缘的间距为w2/2；设左前竖直吸波模块的前半部均分为5×10个第二分区，其中第1×3、1×4、1×5、1×8、1×10、2×1、2×4、2×5、2×8、2×10、3×4、3×5、3×8、3×9、3×10、4×3、4×4、4×5、4×8、4×10、5×1、5×3、5×5、5×6、5×8、5×9、5×10位置的第二分区具有第二吸波膜，其余位置的第二分区不具有吸波膜，以形成第三图案，第三图案以其后边长为镜像轴镜像，以形成第四图案，第三图案和第四图案构成左前竖直吸波模块，左前竖直吸波模块以竖直吸波单元的几何中心为中心按顺时针分别旋转90°、180°和270°，以分别形成右前竖直吸波模块、右后竖直吸波模块和左后竖直吸波模块。
所述水平吸波单元呈正方结构，其边长p＝9.8-10.2mm，w1＝0.2-0.4mm，所述立方介质块为正方体，其边长h＝23.8-24.2mm，w2＝0.8-1.2mm。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，所述第一吸波膜为氧化铟锡膜，其方阻Ohm1＝30-40Ω/sq，其厚度为0.01-0.03mm。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，所述第二吸波膜为氧化铟锡膜，其方阻Ohm2＝20-30Ω/sq，其厚度为0.01-0.03mm。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，所述介质板采用聚甲基丙烯酸甲酯制成，其厚度d＝2.5-3mm。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，所述反射膜为光透型微波反射膜，其方阻为1-10Ω/sq，其厚度为0.01-0.03mm。
上述的超宽带广角域隐身结构材料，优选的，所述第一吸波膜和第二吸波膜均采用磁控溅射镀膜加工而成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提出了竖直与水平结构的波矢匹配设计思路，能够实现3～40GHz超宽频域多模式的电磁波从0～70°广角域入射到本发明的隐身结构材料上，均会被高效的吸收(吸收率90％以上)的效果，从而拓宽了角域吸波的范围。
2、本发明通过对竖直与水平结构上的吸波膜单元进行优化设计，设计了宽角域极化无关阻抗匹配结构，实现了超宽带广角域全极化吸波。并且消除了竖直与水平结构的耦合干扰，保持了超宽带广角域的吸波功能。其层数少，相对厚度小，吸波效果更宽更强。而且还通过无序设计对超结构单元赋予了伪装特性，避免了熟悉本专业的技术人员易根据现有超结构单元的有序排列设计估测隐身结构的电磁吸波性能的可能。
3、本发明结构简单，易于实现，具有工程化优势。
附图说明
图1为本发明的超宽带广角域隐身结构材料的结构示意图。
图2为隐身结构材料的电磁功能层结构设计示意图。
图3为水平吸波单元的基元图案的设计示意图。
图4为水平吸波单元的设计示意图。
图5为竖直吸波单元的基元图案的设计示意图。
图6为竖直吸波单元的设计示意图。
图7为由本发明的材质制得的吸波体的TE波的吸收曲线图。
图8为由本发明的材质制得的吸波体的TM波的吸收曲线图。
图9为由本发明的材质制得的吸波体的的可见光透射率测试图。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种超宽带广角域隐身结构材料，参见图1和图2，包括：介质板，设于介质板下表面的反射膜，设于介质层的上表面的多个水平吸波结构，以及多个与水平吸波结构一一对应的竖直吸波结构，多个水平吸波结构呈阵列分布，每个水平吸波结构包括多个水平吸波单元，多个水平吸波单元呈4×4阵列分布，所述竖直吸波结构固定于水平水平结构上端面的中心位置，其包括立方介质块和四个竖直吸波单元，四个竖直吸波单元沿立方介质块的周向分设在其四个侧面上。
本实施例中，参见图3和图4，水平吸波单元包括左前水平吸波模块1、右前水平吸波模块2、右后水平吸波模块3和左后水平吸波模块4，相邻两个水平吸波模块的间距为w1，相邻两个水平吸波单元的间距为0；设左前水平吸波模块1的左半部均分为10×5个第一分区，其中第1×1、2×1、2×2、2×5、3×2、3×5、4×2、5×1、5×3、5×4、6×4、6×5、7×3、8×1、8×3、8×4、8×5、9×3、9×4、9×5、10×3、10×5位置的第一分区具有第一吸波膜，其余位置的第一分区不具有吸波膜，以形成第一图案11，第一图案11以其右边长12为镜像轴镜像，以形成第二图案13，第一图案11和第二图案13构成左前水平吸波模块1，左前水平吸波模块1以水平吸波单元的几何中心O1为中心按顺时针分别旋转90°、180°和270°，以分别形成右前水平吸波模块2、右后水平吸波模块3和左后水平吸波模块4。
参见图3，设具有第一吸波膜的第一分区为第一1基元，设不具有第一吸波膜的第一分区为第一0基元，多个第一1基元和多个第一0基元组成“
10000
11001
01001
01000
10110
00011
00100
10111
00111
00101”的第一图案。
本实施例中，参见图5和图6，竖直吸波单元包括左前竖直吸波模块5、右前竖直吸波模块6、右后竖直吸波模块7和左后竖直吸波模块8，相邻两个竖直吸波模块的间距为0，竖直吸波单元的边缘与立方介质块侧面对应边缘的间距为w2/2；设左前竖直吸波模块的前半部均分为5×10个第二分区，其中第1×3、1×4、1×5、1×8、1×10、2×1、2×4、2×5、2×8、2×10、3×4、3×5、3×8、3×9、3×10、4×3、4×4、4×5、4×8、4×10、5×1、5×3、5×5、5×6、5×8、5×9、5×10位置的第二分区具有第二吸波膜，其余位置的第二分区不具有吸波膜，以形成第三图案51，第三图案51以其后边长52为镜像轴镜像，以形成第四图案53，第三图案51和第四图案53构成左前竖直吸波模块5，左前竖直吸波模块5以竖直吸波单元的几何中心O2为中心按顺时针分别旋转90°、180°和270°，以分别形成右前竖直吸波模块6、右后竖直吸波模块7和左后竖直吸波模块8。
参见图5，设具有第二吸波膜的第二分区为第二1基元，设不具有第二吸波膜的第二分区为第二0基元，多个第二1基元和多个第二0基元组成“
0011100101
1001100101
0001100111
0011100101
1010110111”的第三图案。
具体地，水平吸波单元呈正方结构，其边长p＝9.8-10.2mm，w1＝0.2-0.4mm，立方介质块为正方体，其边长h＝23.8-24.2mm，w2＝0.8-1.2mm。
第一吸波膜为氧化铟锡(ITO)膜，其方阻Ohm1＝35Ω/sq，其厚度为0.02mm。
第二吸波膜为氧化铟锡(ITO)膜，其方阻Ohm2＝25Ω/sq，其厚度为0.02mm。
介质板采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，俗称有机玻璃)制成，其厚度d＝2.7mm。
反射膜为无色光透型微波反射ITO膜，其方阻为6Ω/sq，其厚度为0.02mm。通过磁控溅射加工技术实现ITO的均匀覆盖，实现微波全反射和可见光透波的功能。
第一吸波膜和第二吸波膜均采用磁控溅射镀膜加工而成。将第一吸波膜和第二吸波膜的设计图纸导入CAD，直接在机器端口进行加工，实现了由电脑自动操控的设计加工一体化。
上述结构材料的单元尺寸、ITO薄膜分布及方阻通过智能算法得出，其目的在于实现宽带广角域高效吸波，设定90％以上为高效吸波，满足0°到70°入射范围内的超宽带吸波，设定优化带宽为2GHz到40GHz，适应度值函数设置如下：
Figure BDA0003712416800000051
Figure BDA0003712416800000052
其中，ΔF(j,θi)是在入射角θi(θ1至θ4分别为0°、40°、60°和70°)下满足吸收要求的每个连续带宽，k为惩罚系数，定义如下：
Figure BDA0003712416800000053
其中，不同入射角下适应度值的极端差异将决定k的值。为了获得广角吸收体，适应度(θi)应保持彼此接近。同时，公式<1>表明，有效带宽越宽，适应值越小，这意味着吸收效果越好。
微波频段2GHz～40GHz吸波性能曲线如图7和图8所示，图7为吸波体在0°、40°、60°、70°入射下TE波的吸收曲线，图6为吸波体在0°、40°、60°、70°入射下TM波的吸收曲线，得到了全极化下C、X、K、Ku、Ka频段内的超宽带广角域的高效吸波。
可见光频段400nm～800nm透波性能曲线如图9所示，当光波仅透过水平结构时，其平均透射率在72.3％以上，当光波透过竖直结构和水平结构时，其平均透射率在68.9％以上，根据占空比计算得出吸波体的等效平均透射率在71.1％以上，具有良好的透光性能。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，包括：介质板，设于介质板下表面的反射膜，设于介质层的上表面的多个水平吸波结构，以及多个与水平吸波结构一一对应的竖直吸波结构，多个水平吸波结构呈阵列分布，每个水平吸波结构包括多个水平吸波单元，多个水平吸波单元呈N×N阵列分布，所述竖直吸波结构固定于水平水平结构上端面的中心位置，其包括立方介质块和四个竖直吸波单元，四个竖直吸波单元沿立方介质块的周向分设在其四个侧面上。
2.根据权利要求1所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述N＝4。
3.根据权利要求2所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，水平吸波单元包括左前水平吸波模块、右前水平吸波模块、右后水平吸波模块和左后水平吸波模块，相邻两个水平吸波模块的间距为w1，相邻两个水平吸波单元的间距为0；设左前水平吸波模块的左半部均分为10×5个第一分区，其中第1×1、2×1、2×2、2×5、3×2、3×5、4×2、5×1、5×3、5×4、6×4、6×5、7×3、8×1、8×3、8×4、8×5、9×3、9×4、9×5、10×3、10×5位置的第一分区具有第一吸波膜，其余位置的第一分区不具有吸波膜，以形成第一图案，第一图案以其右边长为镜像轴镜像，以形成第二图案，第一图案和第二图案构成左前水平吸波模块，左前水平吸波模块以水平吸波单元的几何中心为中心按顺时针分别旋转90°、180°和270°，以分别形成右前水平吸波模块、右后水平吸波模块和左后水平吸波模块。
4.根据权利要求3所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，竖直吸波单元包括左前竖直吸波模块、右前竖直吸波模块、右后竖直吸波模块和左后竖直吸波模块，相邻两个竖直吸波模块的间距为0，所述竖直吸波单元的边缘与立方介质块侧面对应边缘的间距为w2/2；设左前竖直吸波模块的前半部均分为5×10个第二分区，其中第1×3、1×4、1×5、1×8、1×10、2×1、2×4、2×5、2×8、2×10、3×4、3×5、3×8、3×9、3×10、4×3、4×4、4×5、4×8、4×10、5×1、5×3、5×5、5×6、5×8、5×9、5×10位置的第二分区具有第二吸波膜，其余位置的第二分区不具有吸波膜，以形成第三图案，第三图案以其后边长为镜像轴镜像，以形成第四图案，第三图案和第四图案构成左前竖直吸波模块，左前竖直吸波模块以竖直吸波单元的几何中心为中心按顺时针分别旋转90°、180°和270°，以分别形成右前竖直吸波模块、右后竖直吸波模块和左后竖直吸波模块。
5.根据权利要求4所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述水平吸波单元呈正方结构，其边长p＝9.8-10.2mm，w1＝0.2-0.4mm，所述立方介质块为正方体，其边长h＝23.8-24.2mm，w2＝0.8-1.2mm。
6.根据权利要求5所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述第一吸波膜为氧化铟锡膜，其方阻Ohm1＝30-40Ω/sq，其厚度为0.01-0.03mm。
7.根据权利要求6所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述第二吸波膜为氧化铟锡膜，其方阻Ohm2＝20-30Ω/sq，其厚度为0.01-0.03mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述介质板采用聚甲基丙烯酸甲酯制成，其厚度d＝2.5-3mm。
9.根据权利要求1-7任一项所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述反射膜为光透型微波反射膜，其方阻为1-10Ω/sq，其厚度为0.01-0.03mm。
10.根据权利要求4-7任一项所述的超宽带广角域隐身结构材料，其特征在于，所述第一吸波膜和第二吸波膜均采用磁控溅射镀膜加工而成。
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