CN115832716A - 基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，它包括金属板，其底部连接在军用设备外壳的表面；雷达吸波材料，其涂覆在金属板或者军用设备外壳表面，涂覆厚度为2 mm；等离子体阵列，其覆盖在雷达吸波材料上；所述等离子体阵列在激发后形成一层组合式等离子体层；所述等离子体层内的等离子体频率呈现高低交替分布。本发明利用管状封闭式低压等离子体发生器产生等离子体，碳基的雷达吸波材料共同构成电磁隐身装置；管状封闭腔采用黑色玻璃管制成，其可以有效阻挡等离子体产生的可见光扩散至腔体外；本发明将等离子体与吸波材料相结合形成新型复合吸波材料表现出极其优异的吸波性能，其可在宽频带上吸收雷达波。

Description

基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置

技术领域

本发明涉及低温等离子体的应用技术领域，具体涉及一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置。

背景技术

由于现代军事上雷达的广泛使用，使之成为一种重要的探测工具。雷达隐身自然就成为一种重要的隐身技术，其一直是空间探测领域的研究热点，等离子体隐身技术逐渐从实验室走向实用化，并且从航空领域的应用向航海舰船隐身以及地面武器装备隐身的方向拓展。

在日益复杂的电磁环境中如何实现目标的低可观测性，是设计各类装备系统所必须考虑的问题。雷达隐身的关键主要是将目标雷达散射截面降低到雷达接收机无法探测的水平，通常降低雷达散射截面的方式是在目标表面加载雷达吸波材料以减少探测回波或者是修改物体的几何外形，从而将散射波重新定向，使其远离后向散射方向。

目标整形设计实现雷达隐身是一项极有挑战性的工程，设计成本是极高的，往往只适用于少部分重要设备，并且外形设计在较低的频率下不能很好的发挥隐身效果。在目标表面加载吸波材料是通用的降低雷达散射截面的方法。传统的铁氧体以及碳基等雷达吸波材料只能对特定频段和角度的电磁波的进行有效吸收，并且雷达吸波材料涂层非常厚重，对于X频段的微波不易实现吸收，因此薄层雷达吸波材料不易在宽频段上实现雷达散射截面的缩减, 由于等离子体能够在较宽的频率范围内吸收电磁波，并且易于控制，等离子体隐身被用来降低目标的电磁波反射。

大量关于等离子体隐身的研究是围绕开放型平板等离子体覆盖在金属板上展开的，由于等离子体在开放环境中的寿命很短，理想分布的等离子体电子密度很难产生和维持，此外，这种开放型等离子体能发出可见光，容易被光电探测系统观测到。因此，这种开放型等离子体不能直接用于实际隐身应用。

基于上述原因，封闭式等离子体被引入了隐身技术中，封闭腔式等离子体通常利用感应耦合线圈或者是放电电极产生，封闭式等离子体可以维持稳定的电子密度与可控制的等离子体分布，感应耦合线圈产生的等离子体存在分布不均匀，装置体积大等问题，不适用与大面积等离子体隐身应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，它包括金属板，其底部连接在军用设备外壳的表面；

雷达吸波材料，其涂覆在金属板或者军用设备外壳表面，涂覆厚度为2 mm；

等离子体阵列，其覆盖在雷达吸波材料上；所述等离子体阵列在激发后形成一层组合式等离子体层；所述等离子体层内的等离子体频率呈现高低交替分布。

进一步的，所述军用设备包括海陆空基需要隐身的武器装备或者重要的雷达天线组件。

进一步的，所述雷达吸波材料采用碳基材料制成的非磁性介质吸波材料或者磁性铁氧体吸波材料。

再进一步的，所述等离子体阵列中每一个等离子体单元都可以任意的开启与关闭，通过调控等离子体的参数，实现吸波频带的可调性；通过控制等离子体单元的通断，改变等离子体空间分布，实现衰减带隙与衰减幅度的调整。

进一步的，所述等离子体阵列外侧连接调节控制模块和等离子体激励模块；所述调节控制模块用于调控等离子体的单元的通断，等离子体激励模块用于调控等离子体的参数。

进一步的，所述等离子体阵列是由管状封闭式低压等离子体发生器产生的等离子体；所述管状封闭式低压等离子体发生器为多组带有黑色管状封闭腔的气体放电管排列组成；

再进一步的，所述气体放电管内充入惰性气体与汞的低压混合气体，其气体压强为500 Pa-1500 Pa；所述气体放电管的直径为15 mm，通过镇流器控制等离子体激励模块；

特别的，所述气体放电管内交替分布等离子体的频率分别为5.18e10 rad/s和1.8e10 rad/s。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明利用管状封闭式低压等离子体发生器产生等离子体，碳基的雷达吸波材料共同构成电磁隐身装置；管状封闭腔采用黑色玻璃管制成，其可以有效阻挡等离子体产生的可见光扩散至腔体外；雷达吸波材料是采用碳基材料制成，将等离子体与吸波材料相结合形成新型复合吸波材料表现出极其优异的吸波性能，其可在宽频带上吸收雷达波，同时等离子体密度呈现高低交替分布的模式时,等离子体吸波体对8-18GHz微波的吸收率可以达到90%以上，此外改变雷达吸波材料的种类，等离子体单元的通断，能够针对不同场景需求调整不同的吸收频带，最终可以实现8-18GHz频段内宽频带，大角度，可调谐的电磁吸波。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明三种模式下等离子体的分布图；

图3为三种不同分布模式的等离子体和雷达吸波材料吸收率的比较图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

本发明旨在拓宽雷达吸波材料在X频段的微波隐身，同时实现可调谐的电磁吸波，通常认为，当电磁波频率大于等离子体频率时，电磁波不能在等离子体内传播的某些频段，即光子带隙；而当电磁波频率低于等离子体频率时，电磁波不能在等离子体内部传播，称为截止频率。一般将Wp/2π(Hz)视为电磁波在等离子体内传播的截止频率，低于此频率的电磁波将被全反射，不能进入等离子体中，由于气体放电管内等离子体密度是呈径向高斯分布的，即管壁处的等离子体频率是低于管子中心处的等离子体频率，当电磁波耦合进入大范围的等离子体阵列时，不会产生电磁绕射等现象，参照图2中所示，Mode2，Mode3排列的薄等离子体分布相对均匀，只能传输特定频段的电磁波，因此对薄等离子体进行不均匀的分布排列，使更多的电磁波能够耦合进入等离子体层，进而能够增加电磁波多重散射的可能性，耗散电磁能量，提高电磁波吸收率。

进而当电磁波法向入射至等离子体吸波体时，低频段电磁波在低电子密度的等离子体中进行传播，参照图2中所示，电子密度为Ne1的等离子体单元与低频段的电磁波产生强烈耦合作用，而随着电磁波频率升高，高电子密度的等离子体中可以耦合进入更多的电磁能量，高频段电磁波与电子密度为Ne2的等离子体的耦合效应更为强烈。而在X-KU频段上的电磁波能够完全耦合进入等离子体层被RAM耗散吸收。电磁波与RAM存在反应，金属表面的雷达吸波材料存在感应电场，这说明此类雷达吸波材料对高频电磁波具有良好的吸收性能，随着频率的增加，电磁能量多集中在等离子体单元之间的孔隙中，电磁波在气体放电管与雷达吸波材料之间发生多重散射，并被耗散吸收。

基于上述理论，将等离子体频率交替设置在雷达吸波材料上可形成新型复合吸波材料表现出极其优异的吸波性能，具体结构如下：

参照图1所示，一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，它包括金属板100，其底部连接在军用设备外壳的表面，军用设备包括海陆空基需要隐身的武器装备或者重要的雷达天线组件，这类雷达不易通过外形隐身，凸出来的部位不能很好的实现雷达隐身，传统的雷达吸波材料涂敷在雷达天线上，不能实现宽波段吸收，本发明等离子体屏+吸波材料可以很好实现，对于飞行目标上，不易实现隐身的部位，如起落架部位，飞机发动机部位，也可以采用本发明的隐身方式；

雷达吸波材料200，其涂覆在金属板或者军用设备外壳表面，涂覆厚度为2 mm；

雷达吸波材料采用碳基材料制成的非磁性介质吸波材料或者磁性铁氧体吸波材料

等离子体阵列300，其覆盖在雷达吸波材料上；所述等离子体阵列在激发后形成一层组合式等离子体层；所述等离子体层内的等离子体频率呈现高低交替分布。

为了实现等离子体阵列可以实现8-18GHz频段内宽频带，大角度，可调谐的电磁吸波，同时能够针对不同场景需求调整不同的吸收频带将等离子体阵列中每一个等离子体单元都可以任意的开启与关闭，通过调控等离子体的参数，实现吸波频带的可调性；通过控制等离子体单元的通断，改变等离子体空间分布，实现衰减带隙与衰减幅度的调整；进而设置控制模块与之对应，等离子体阵列外侧连接调节控制模块400和等离子体激励模块500；调节控制模块400用于调控等离子体的单元的通断，等离子体激励模块500用于调控等离子体的参数。

关于等离子体阵列的设置如下：其由管状封闭式低压等离子体发生器产生的等离子体；所述管状封闭式低压等离子体发生器为多组带有黑色管状封闭腔的气体放电管排列组成，气体放电管内充入惰性气体与汞的低压混合气体，其气体压强为500 Pa-1500 Pa；气体放电管的直径为15 mm，通过镇流器控制等离子体激励模块。

进而将限制等离子体的频率，气体放电管内交替分布等离子体的频率分别为5.18e10 rad/s和1.8e10 rad/s，将等离子体圆柱阵列假设为在完美电导体上无限分布的，完美电导体（金属板）上覆盖有传统的雷达吸波材料。通过调节整流器电压，能够得到不同电子密度的等离子体。为了分析等离子体空间分布对雷达吸波的影响，参照图2所示，分别在三种不同模式（单一低电子密度的等离子体、单一高电子密度的等离子体、两种密度的等离子体的交替分布）下了测试二种等离子体频率不同的分布排列，（用Ne1与Ne2表示相应的等离子体电子密度），为此处的电子碰撞频率取固定值为1.256e10 rad/s，根据图2的模拟结果, 镇流器分别加载220V、160V电压时，气体放电管内等离子体频率是5.18e10 rad/s（Ne2对应的高电子密度的等离子体）、1.8e10 rad/s（Ne1对应的低电子密度的等离子体）,调节电压可以改变等离子体的电子密度，从而改变等离子体频率。

三种不同分布模式的等离子体隐身装置的吸收率合雷达吸波材料对比参照图3所示，当等离子体吸收体的等离子体频率呈高低交替分布时，其能够有效吸收低频段的电磁波。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (8)

1.基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：它包括金属板，其底部连接在军用设备外壳的表面；

雷达吸波材料，其涂覆在金属板或者军用设备外壳表面，涂覆厚度为2 mm；

等离子体阵列，其覆盖在雷达吸波材料上；所述等离子体阵列在激发后形成一层组合式等离子体层；所述等离子体层内的等离子体频率呈现高低交替分布。

2.按照权利要求1所述的基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述军用设备包括海陆空基需要隐身的武器装备或者重要的雷达天线组件。

3.按照权利要求1所述的基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述雷达吸波材料采用碳基材料制成的非磁性介质吸波材料或者磁性铁氧体吸波材料。

4.按照权利要求1所述的基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述等离子体阵列中每一个等离子体单元都可以任意的开启与关闭，通过调控等离子体的参数，实现吸波频带的可调性；通过控制等离子体单元的通断，改变等离子体空间分布，实现衰减带隙与衰减幅度的调整。

5.按照权利要求4所述的基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述等离子体阵列外侧连接调节控制模块和等离子体激励模块；所述调节控制模块用于调控等离子体的单元的通断，等离子体激励模块用于调控等离子体的参数。

6.按照权利要求1至5任意所述的基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述等离子体阵列是由管状封闭式低压等离子体发生器产生的等离子体；所述管状封闭式低压等离子体发生器为多组带有黑色管状封闭腔的气体放电管排列组成。

7.按照权利要求6所述的一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述气体放电管内充入惰性气体与汞的低压混合气体，其气体压强为500Pa-1500 Pa；所述气体放电管的直径为15 mm，通过镇流器控制等离子体激励模块。

8.按照权利要求6所述的一种基于等离子体阵列和雷达吸波材料的宽带电磁隐身装置，其特征在于：所述气体放电管内交替分布等离子体的频率分别为5.18e10 rad/s和1.8e10 rad/s。

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