CN116767497A - 一种带有人工表面等离激元吸波格栅、方法及进气道 - Google Patents
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Abstract
本发明一种带有人工表面等离激元吸波格栅、方法及进气道，属于进气系统隐身技术领域；所述吸波格栅由若干方腔单元阵列而成，所述方腔单元为正方形环腔，其周向壁面均为多层介质结构，壁面从内到外依次为频率选择表面FSS、合成树脂PR、涤纶树脂PET，各层之间均平行放置；其中相邻方腔单元的涤纶树脂PET之间均通过氧化铟锡ITO薄膜进行粘合，构成带有人工表面等离激元吸波格栅。本发明的目的是改变所述进气道的电磁散射特征，降低其雷达散射截面积，进而提升飞行器雷达隐身性能。
Description
技术领域
本发明属于进气系统隐身技术领域，具体涉及一种带有人工表面等离激元吸波格栅、方法及进气道。
背景技术
飞行器进气道作为一种电大腔体结构，是飞机前向角域的强电磁散射源之一，如何降低和缩减其雷达散射截面积始终是飞机隐身设计的热点研究问题。在进气道进口安装格栅是一种常用的进气道隐身措施，国外的F117隐身轰炸机和RQ170飞翼无人机便是格栅屏蔽技术的典型应用。格栅一方面可以使部分电磁波在格栅处发生散射而无法进入进气道腔体内部，另一方面迫使电磁波在格栅与进气道之间发生多次反射，降低回波强度。
目前的进气道格栅主要采用铝合金等金属，可在其表面涂覆吸波材料，通常重量较大、吸收率低、使用频带较窄，难以满足预期的隐身设计需求。现有技术公开的格栅进口进气道，能够提升飞机整体的隐身效果。但由于进口格栅材质均为金属，重量较大。将带有金属格栅的进气道与飞机安装会增加飞机自身的重量，影响其飞行能力，导致任务载荷降低和作战半径缩短。此外，金属格栅一般通过改变格栅孔隙度和格栅厚度更改其吸波特性，上述参数由于进气道形状和空间限制，可调范围较小。因此亟需一种轻质化和工作频带可调范围较宽的吸波格栅结构，在减轻吸波格栅重量的同时，降低进气道在多个电磁波频带的雷达散射截面，提高其雷达隐身性能。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种带有人工表面等离激元吸波格栅、方法及进气道，吸波格栅采用多层介质结构作为方腔壁面，若干方腔单元以阵列的方式排列，并将其与进气道进行安装，目的是改变所述进气道的电磁散射特征，降低其雷达散射截面积，进而提升飞行器雷达隐身性能。本发明解决了现有技术中金属吸波格栅重量较大、吸收率低、使用频带较窄的问题。
本发明的技术方案是：一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：由若干方腔单元阵列而成，所述方腔单元为正方形环腔，其周向壁面均为多层介质结构，壁面从内到外依次为频率选择表面FSS、合成树脂PR、涤纶树脂PET，各层之间均平行放置；其中相邻方腔单元的涤纶树脂PET之间均通过氧化铟锡ITO薄膜进行粘合，构成带有人工表面等离激元吸波格栅。
本发明的进一步技术方案是：所述方腔单元的长、宽、高均一致。
本发明的进一步技术方案是：所述频率选择表面FSS的材质为铜，由多个“L”形铜条片沿方腔单元壁面的对角线均匀分布，构成轮廓为正方形的FSS层，FSS层整体位于方腔单元各壁面的中心。
本发明的进一步技术方案是：所述FSS层附着于PR层表面，采用印刷电路板技术印刷在所述PR层表面。
本发明的进一步技术方案是：所述PR层附着于PET层表面，采用热压技术紧密粘结。
本发明的进一步技术方案是：所述PET层表面采用磁控溅射的方式溅射致密的ITO薄膜，与相邻方腔单元壁面的PET层粘合，形成FSS-PR-PET-ITO-PET-PR-FSS对称多层介质结构。
本发明的进一步技术方案是：所述FSS层的正方形轮廓边长为b＝8mm，“L”形铜条片的宽度为w＝125μm，厚度c＝35μm；所述PR层的厚度h＝1mm，所述PET层的厚度d＝10μm。
本发明的进一步技术方案是：所述PR层介电常数为ε＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.025，所述PET层介电常数为ε＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.18。
一种带有人工表面等离激元吸波格栅的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
制备吸波格栅条状单元；所述吸波格栅条状单元由多个多层介质结构沿长度方向均布而成，相邻多层介质结构之间开有条状单元凹口；
高真空条件下，将两条吸波格栅条状单元通过ITO薄膜粘接为对称多层介质结构；
将多个对称多层介质结构通过条状单元凹口进行插接，形成带有人工表面等离激元吸波格栅。
一种进气道，其特征在于：所述进气道的进口平面设置有带有人工表面等离激元吸波格栅，所述吸波格栅的外周面与进气道的内壁面粘接。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道。相较于未安装进气格栅的进气道，进气格栅对电磁波产生屏蔽效果，电磁波可在吸波格栅与进气道腔体之间发生多次反射，降低回波强度，极大程度的降低了进气道的前向RCS。此外，相较于装配有金属格栅或表面涂覆吸波材料金属格栅的进气道，带有人工表面等离激元吸波格栅的平均材料密度比一般金属材料小，因此对比金属格栅或表面涂覆有吸波涂层的金属格栅，其质量较轻。
本发明所述多层介质结构将电磁入射波束缚在各层分界面间进行耗散，特别是在金属和介质分界面处；相较于普通表面等离激元，所述多层介质结构采用的人工表面等离激元中，金属导体自由电子集体震荡产生的等离激元具有更强的电磁波束缚能力，使得所述多层介质结构法向方向场强呈指数衰减，更加便于吸波格栅的小型化设计。
因此，本发明具有常规金属材料所不具备的负电磁参数等属性，电磁波反射率较低，还可通过更改FSS图案特征实现微波到可见光的吸收，工作频带更宽，可降低较宽电磁波探测频率下进气道的雷达散射截面积。
附图说明
图1是带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道三维轴测示意图；
图2是吸波格栅条状单元示意图；
图3是吸波格栅方腔单元示意图；
图4是吸波格栅FSS金属贴片二维阵列示意图；
图5是多层吸波结构侧视示意图；
图6是利用ITO粘合的多层吸波结构侧视示意图；
图7是多层吸波结构等效传输线模型示意图
图8是实验测试获得的10GHz入射频率垂直极化方式下，不同类型进气道前向-40°～40°探测角范围RCS分布曲线；
附图标记说明：1.吸波格栅，2.进气道，11.条状单元凹口，12.FSS层，13.PR层，14.PET层，15.ITO层。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
基于现有技术的进气道格栅采用铝合金等金属，存在重量较大、吸收率低、使用频带较窄，难以满足预期的隐身设计需求等问题。本发明提出一种带有人工表面等离激元吸波格栅、方法及进气道，所述吸波格栅位于所述进气道进口平面。所述吸波格栅整体呈现周期性方腔交叉阵列结构，形成的每一个方腔单元的长、宽、高均一致。
所述方腔单元壁面均为由多层介质结构。所述多层介质结构包括频率选择表面(frequency selective surface,FSS)、合成树脂(PolyResin，PR)、涤纶树脂(Polyethylene terephthalate，PET)。各层之间均平行放置。各方腔单元之间通过氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)薄膜进行粘合。其中，频率选择表面(Frequency selectivesurface,FSS)是一种近年来被广泛应用于电磁兼容和电磁屏蔽的超材料，对不同频率的电磁波表现出带通和带阻的滤波特性，具有轻薄、体积结构小、宽频吸收等优点。其中人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton,SSPP)可以将入射波耦合到结构表面进行传播，具有很好的应用前景，可满足进气道格栅的轻型、宽频带要求。
本发明通过所述多层介质结构，将电磁入射波束缚在各层分界面间进行耗散，特别是在金属和介质分界面处，相较于普通表面等离激元，所述多层介质结构采用的人工表面等离激元中，金属导体自由电子集体震荡产生的等离激元具有更强的电磁波束缚能力，使得所述多层介质结构法向方向场强呈指数衰减，更加便于吸波格栅的小型化设计。
以下参照附图对上述技术方案进行进一步说明。
实施例：
本实施例一种带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道，主要包括进口吸波格栅以及进气道两部分，下面将参照附图1-8详细描述该进气道。
参照图1所示，所述吸波格栅1与进气道2的连接方式为，所述吸波格栅1四周最外侧与所述进气道2入口内壁面相连，所述吸波格栅前端面与所述进气道进口端面平齐。可选地，所述进气道2为矩形方腔结构，其长、宽、高分别为L＝600mm、W＝240mm、H＝240mm。可选地，所述进气道2的材质为不锈钢。
参照图2所示，为构成吸波格栅1的吸波格栅条状单元。所述吸波格栅条状单元由多个多层介质结构沿长度方向均布而成，相邻多层介质结构之间开有条状单元凹口；所述多层介质结构共包括顶层FSS层12、中间PR层13以及底层PET层14，共三层结构。所述吸波格栅2具体加工方式为：高真空条件下，在任意两个所述条状单元底层PET层表面采用磁控溅射的方式形成致密的ITO薄膜，再采用热压技术将两个所述条状单元的ITO薄膜紧密粘接在一起，两个所述条状单元便形成以ITO薄膜为中间层的对称多层介质结构。加入ITO薄膜层后，其导电特性促进了所述对称多层介质结构两侧FSS层的耦合，促进电场穿透所述PR层，增加了所述FSS层的谐振强度，最终提升吸波结构的吸波效率。将多个所述对称多层介质结构沿所述凹口11进行拼接，最终形成所述吸波格栅2。
参照图3所示，所述吸波格栅2的局部示意图放大后为方腔单元的结构示意图，所述方腔单元为正方形环腔，其周向壁面均为多层介质结构，壁面从内到外依次为频率选择表面FSS、合成树脂PR、涤纶树脂PET，各层之间均平行放置；其中相邻方腔单元的涤纶树脂PET之间均通过氧化铟锡ITO薄膜进行粘合，构成带有人工表面等离激元吸波格栅。
参照图4和图5所示，根据FSS的设计理论，首先设计基础“L”形FSS层金属贴片，每个“L”形金属贴片之间的间距相等，且沿着所述方腔单元的面对角线均匀分布。所述多层介质结构具体包括顶层FSS层12、PR层13以及底层PET层14。为了尽可能的增加等离激元的共振效果，通过更改FSS层金属贴片的尺寸和结构改变其截止频率。对带有吸波格栅进气道结构进行全波电磁仿真优化计算，获得最终的多层介质结构几何参数。所述金属贴片整体处于所述PR层中心，优选的，具体的，所述FSS层的正方形轮廓边长为b＝8mm，“L”形铜条片的宽度为w＝125μm，厚度c＝35μm。所述PR层13的宽度a＝10mm,厚度h＝1mm，所述PET层14的厚度d＝10μm。其中，所述PR层介电常数为ε＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.025，所述PET层介电常数为ε＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.18。当电磁波入射到FSS金属贴片与介质的分界面处时，金属导体中的自由电子会发生集体震荡，交界面处的电磁场强达到峰值。所设计的周期性金属贴片结构对电磁波具有更强的束缚能力，减少对邻近结构的干扰，便于吸波器的小型化设计。需要注意是，由于各介质层之间的厚度相差较大，为更清晰的描述所述多层介质结构，附图5仅为多层介质结构的示意图，并不代表实际厚度比例。
参照图6所示，所述对称多层介质结构由多层介质结构通过ITO薄膜15热压粘连而成。通过进一步仿真计算，优选的，所述ITO薄膜的方阻R＝200Ω/m2。
参照图7所示，建立所述对称多层介质结构的等效传输线模型。其中Z0＝377Ω，表示所述对称多层介质结构两侧的空气阻抗。所述PR层13可以等效为传输线，其阻抗可用Z1表示，Z1＝Z0/εr。所述PET层14也等效为传输线，但由于其厚度较小，其传输线阻抗可以忽略不计。所述ITO层15相当于并联电阻，其阻值为R。上下表面的所述FSS层可以等效为两条LC串联支路。
参照图8所示，对于10GHz探测频率的平面电磁波，利用实验测试获得-40°至40°入射角范围内所述进气道方腔与所述带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道的电磁散射特性。可以看到在垂直极化方式下，相较于不带吸波格栅的进气道，所述带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道在探测角范围内的RCS值明显减小，尤其是-10°至10°小角度重点范围，RCS值缩减程度较大。通过对-40°～40°范围内所述两种进气道的RCS角向均值进行计算，所述带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道相较于不带吸波格栅的进气道，其RCS均值缩减了99.9％，效果十分可观。其次，在所述进气道进口安装所述吸波格栅，改变了进气道前向的电磁散射规律。对于所述进气道，其RCS值在0°探测角附近达到峰值，此后随着探测角度的增大，其RCS值震荡下降。然而对于所述带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道，其正前方0°探测角附近的RCS值相较于大探测角度的RCS值偏小，极大程度地降低了飞机从正前方重点角域被探测发现的概率。可见，进行优化设计后的带有人工表面等离激元吸波格栅的进气道在重点探测角域的RCS得到了明显缩减，且具有较好的入射角稳定性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：由若干方腔单元阵列而成，所述方腔单元为正方形环腔，其周向壁面均为多层介质结构，壁面从内到外依次为频率选择表面FSS、合成树脂PR、涤纶树脂PET，各层之间均平行放置；其中相邻方腔单元的涤纶树脂PET之间均通过氧化铟锡ITO薄膜进行粘合，构成带有人工表面等离激元吸波格栅。
2.根据权利要求1所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述方腔单元的长、宽、高均一致。
3.根据权利要求1所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述频率选择表面FSS的材质为铜，由多个“L”形铜条片沿方腔单元壁面的对角线均匀分布，构成轮廓为正方形的FSS层，FSS层整体位于方腔单元各壁面的中心。
4.根据权利要求3所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述FSS层附着于PR层表面，采用印刷电路板技术印刷在所述PR层表面。
5.根据权利要求4所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述PR层附着于PET层表面，采用热压技术紧密粘结。
6.根据权利要求5所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述PET层表面采用磁控溅射的方式溅射致密的ITO薄膜，与相邻方腔单元壁面的PET层粘合，形成FSS-PR-PET-ITO-PET-PR-FSS对称多层介质结构。
7.根据权利要求6所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述FSS层的正方形轮廓边长为b＝8mm，“L”形铜条片的宽度为w＝125μm，厚度c＝35μm；所述PR层的厚度h＝1mm，所述PET层的厚度d＝10μm。
8.根据权利要求7所述一种带有人工表面等离激元吸波格栅，其特征在于：所述PR层介电常数为ε＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.025，所述PET层介电常数为ε＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.18。
9.一种权利要求1-8任一项所述带有人工表面等离激元吸波格栅的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
制备吸波格栅条状单元；所述吸波格栅条状单元由多个多层介质结构沿长度方向均布而成，相邻多层介质结构之间开有条状单元凹口；
高真空条件下，将两条吸波格栅条状单元通过ITO薄膜粘接为对称多层介质结构；
将多个对称多层介质结构通过条状单元凹口进行插接，形成带有人工表面等离激元吸波格栅。
10.一种进气道，其特征在于：所述进气道的进口平面设置有权利要求1-8任一项所述带有人工表面等离激元吸波格栅，所述吸波格栅的外周面与进气道的内壁面粘接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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