一種復(fù)合寬頻帶吸波材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合寬頻帶吸波材料，包括地板、介質(zhì)板、頻率選擇表面與基體吸波材料層，所述地板設(shè)于所述介質(zhì)板的下表面，所述頻率選擇表面設(shè)于所述介質(zhì)板的上表面，所述基體吸波材料層涂覆于所述頻率選擇表面上，所述頻率選擇表面設(shè)有若干無(wú)源諧振單元，所述無(wú)源諧振單元為耶路撒冷十字孔徑形結(jié)構(gòu)，將若干所述無(wú)源諧振單元周期排列后成為孔徑型頻率選擇表面，并形成RLC并聯(lián)電路。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的雷達(dá)截面減縮，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種復(fù)合寬頻帶吸波材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及吸波材料中的頻率選擇表面【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種復(fù)合寬頻帶吸波材料，用于吸收電磁波，減縮雷達(dá)散射截面，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的電磁隱身。
【背景技術(shù)】
[0002]控制目標(biāo)RCS為目的的電磁隱身技術(shù)的研究由來(lái)已久，對(duì)于普通目標(biāo)RCS的控制手段主要有四種，即:整形技術(shù)、涂覆吸波材料、無(wú)源對(duì)消與有源對(duì)消技術(shù)。其中，整形技術(shù)和涂覆吸波材料是最常使用也是最為有效的兩種手段。涂覆吸波材料則是最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，用以實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)或其雷達(dá)的隱身的主要手段。隨著探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，隱身技術(shù)己成為世界各主要國(guó)家的重點(diǎn)研究對(duì)象。而隨著隱身技術(shù)地位的日益提升，研究和開發(fā)高性能的吸波材料已成為軍事【技術(shù)領(lǐng)域】的一個(gè)重要課題。吸波材料是指能夠通過(guò)自身對(duì)微波能量的吸收作用，減小雷達(dá)波散射截面的材料。目前，吸波材料主要研究方向?yàn)?以復(fù)合材料為基礎(chǔ)，并在其上發(fā)展起來(lái)的多功能材料。要求其在吸波的同時(shí)還兼有防腐、耐濕、耐高溫、承載等功能。拓寬頻帶、高效率、不增加消極重量、可成型各種形狀復(fù)雜的部件等特征，是目前吸波材料的主要發(fā)展方向。復(fù)合吸波材料主要是由具有吸波性能的基體材料、增強(qiáng)材料或蜂窩芯材等復(fù)合而成。其表層具有良好的透波性能、中間層為衰減設(shè)計(jì)的損耗吸收層，底層為全反射層，整體結(jié)構(gòu)遵循“薄、輕、寬、強(qiáng)”的設(shè)計(jì)理念。但目前已有吸波材料的體積、重量和成本較大，而且吸波性能會(huì)受到涂覆時(shí)誤差的影響而不穩(wěn)定，且吸波頻帶一般不超過(guò)40%，使得在較寬頻帶范圍內(nèi)對(duì)威脅雷達(dá)波實(shí)現(xiàn)良好地吸收極其困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種復(fù)合寬頻帶吸波材料，通過(guò)與頻率選擇表面結(jié)合，利用設(shè)置的無(wú)源諧振單元組合的周期性排列保證在吸波材料的體積、重量和成本變化較小的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸波材料吸波性能的優(yōu)化以及吸波頻帶的展寬。
[0004]吸波材料的吸收機(jī)理為電磁波與物質(zhì)相互作用，如同黑色物體有效吸收熱能一樣，入射的電磁波通過(guò)吸波材料轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式的能量，從而最大限度減少雷達(dá)回波能量。頻率選擇表面(FSS)是由大量的無(wú)源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，它由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑組成，它的性能類似于電路中的帶通或帶阻濾波器。通過(guò)改變每個(gè)單元的形狀、尺寸，可以使這種結(jié)構(gòu)具有不同的諧振頻率，從而對(duì)空間電磁波的透射或反射具有頻率選擇性質(zhì)。
[0005]雷達(dá)吸波材料要具有好的吸波性能必須具備兩個(gè)條件:雷達(dá)波入射到吸波材料內(nèi)部時(shí)能量損耗要盡量大；吸波材料的阻抗要與自由空間的波阻抗相匹配。要滿足第一個(gè)條件可以選擇介電常數(shù)和磁導(dǎo)率虛部較高的吸收劑來(lái)實(shí)現(xiàn)；要滿足第二個(gè)條件，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻片阻抗、材料的電磁參數(shù)以及材料厚度來(lái)改變輸入阻抗從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配條件，而其中最容易調(diào)節(jié)的是電阻片的阻抗，目前廣泛采用的也是這種阻抗匹配方式。但如果將頻率選擇表面引入到吸波材料的設(shè)計(jì)中則可以更方便地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配條件。本發(fā)明將吸波材料和頻率選擇表面結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到大范圍展寬原有吸波材料吸波帶寬的作用。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種復(fù)合寬頻帶吸波材料，包括地板、介質(zhì)板、頻率選擇表面與基體吸波材料層，所述地板設(shè)于所述介質(zhì)板的下表面，所述頻率選擇表面設(shè)于所述介質(zhì)板的上表面，所述基體吸波材料層涂覆于所述頻率選擇表面上，所述頻率選擇表面設(shè)有若干無(wú)源諧振單元，所述無(wú)源諧振單元為耶路撒冷十字孔徑形結(jié)構(gòu)，將若干所述無(wú)源諧振單元周期排列后成為孔徑型頻率選擇表面，并形成RLC并聯(lián)電路。
[0008]需要說(shuō)明的是，所述孔徑型頻率選擇表面為二維周期排列。
[0009]需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，所述頻率選擇表面由行*列(NXM)個(gè)單元構(gòu)成，其中N≤3，M≤3 ;進(jìn)一步的，所述頻率選擇表面形成RLC并聯(lián)電路，其中電容C和電感L主要由頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸決定，阻抗R來(lái)源于金屬損耗和輻射損耗，選擇合理的頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)與尺寸，獲得適當(dāng)?shù)牡刃щ姼蠰、電容C和電阻R，吸波材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以在一定頻段內(nèi)較好地吸收入射電磁波。
[0010]本發(fā)明有益效果在于:
[0011]1、本發(fā)明由于加載了頻率選擇表面，在吸波材料的體積、重量和成本變化較小的情況下可以實(shí)現(xiàn)較好的吸波效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；
[0012]2、本發(fā)明由于使用了將基體吸波材料和頻率選擇表面相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，展寬了吸波材料的吸波帶寬，吸波帶寬可達(dá)105.2% ；
[0013]3、本發(fā)明由于將頻率選擇表面和基體吸波材料進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，避免了安裝誤差而影響其減縮性能， 減縮性能穩(wěn)定；
[0014]4、本發(fā)明由于頻率選擇表面單元數(shù)目選取靈活，使該寬頻帶吸波材料總尺寸可調(diào)，可根據(jù)實(shí)際大小需要確定。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明頻率選擇表面與基體吸波材料結(jié)合的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為圖1頻率選擇表面耶路撒冷十字孔徑型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的RLC等效電路連接結(jié)構(gòu)不意圖；
[0019]圖5為本發(fā)明的S11和原吸波材料的S11對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0021]如圖1、圖2所示，本發(fā)明為一種復(fù)合寬頻帶吸波材料，包括地板1、介質(zhì)板2、頻率選擇表面3與基體吸波材料層4，所述地板I設(shè)于所述介質(zhì)板2的下表面，所述頻率選擇表面3設(shè)于所述介質(zhì)板2的上表面，所述基體吸波材料層4涂覆于所述頻率選擇表面3上，所述頻率選擇表面3設(shè)有若干無(wú)源諧振單元，所述無(wú)源諧振單元為耶路撒冷十字孔徑形結(jié)構(gòu)，將若干所述無(wú)源諧振單元周期排列后成為孔徑型頻率選擇表面，并形成RLC并聯(lián)電路。
[0022]需要說(shuō)明的是，所述孔徑型頻率選擇表面為二維周期排列。其中周邊的細(xì)金屬框線構(gòu)成所需電感L，而每個(gè)無(wú)源諧振單元之間通過(guò)縫隙構(gòu)成所需電容C，便形成RLC并聯(lián)電路。進(jìn)一步地說(shuō)，電容C和電感L主要由頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸決定，阻抗R則來(lái)源于金屬損耗和輻射損耗，因此，選擇合理的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)和尺寸，獲得適當(dāng)?shù)牡刃щ姼蠰、電容C和電阻R，吸波材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以在一定頻帶內(nèi)較好地吸收入射電磁波。
[0023]如圖3所示，本發(fā)明中的頻率選擇表面由行*列(NXM)個(gè)單元構(gòu)成，N大于3，M大于3。作為一種示意，圖中取值為N=5，M=5。
[0024]作為一種優(yōu)選的方案，本發(fā)明的單元尺寸可為地板I的長(zhǎng)和寬為4_ ;介質(zhì)板2采用的材料為FR4,介電常數(shù)為4.4,介質(zhì)板的長(zhǎng)和寬為4mm,厚度為1.5mm ;如圖2所示,長(zhǎng)和寬W為4mm ;中間的十字形縫隙寬度a為0.14mm,沿四個(gè)邊的縫隙長(zhǎng)度b為2mm,寬度d為0.4mm,與邊的間隙g為0.04mm ;吸波材料涂層長(zhǎng)和寬為4mm,厚度為1.2mm,介電常數(shù)為ε ’ =20.3，磁導(dǎo)率為μ ’ =3.55，電損耗角為tan δ D=0.2266，磁損耗角為tan δ Μ=0.4422。
[0025]為了進(jìn)一步了解本發(fā)明的效果，可通過(guò)以下理論分析和仿真結(jié)果說(shuō)明:
[0026]1、理論分析
[0027]根據(jù)傳輸線理論，圖3中結(jié)構(gòu)等效為如圖4所示的傳輸線電路，基體吸波材料層和介質(zhì)板分別等效為長(zhǎng)度為屯、d2的輸線，其傳輸線的特性阻抗由相應(yīng)的波阻抗決定，頻率選擇表面等效為RLC并聯(lián)電路，金屬板相當(dāng)于終端短路，電容C和電感L主要由FSS結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸決定，阻抗R則來(lái)源于金屬損耗和輻射損耗。
[0028]根據(jù)傳輸線理論，此寬頻帶吸波材料的反射系數(shù)1-可由下式計(jì)算: [0030]其中，+ z W為整個(gè)結(jié)構(gòu)的輸入阻抗，而Z2為FSS表面處的輸入阻抗，可由下式計(jì)算，
[0032]式中η C1、η 1、η 2分別為自由空間、吸波材料和介質(zhì)基層的波阻抗，Ii1和k2為電磁波在吸波材料和介質(zhì)基層中傳播時(shí)的波矢量。通過(guò)上述定性分析可知，選擇合理的FSS結(jié)構(gòu)和尺寸，獲得適當(dāng)?shù)牡刃щ姼?、電容和電阻，吸波材料的?fù)合結(jié)構(gòu)可以在一定頻段內(nèi)較好地吸收入射電磁波。
[0033]2、仿真結(jié)果
[0034]如圖5所示為本發(fā)明的S11和基體吸波材料的S11對(duì)比圖。由此可以看出，基體吸波材料本身的吸收峰在6.5GHz,吸收峰值為-14dB，在5.4GHz~7.8GHz的頻帶內(nèi)，反射系數(shù)小于-10dB，帶寬為36.5% ;加載FSS結(jié)構(gòu)后，由于頻率選擇表面的諧振峰和吸波材料的吸收峰互相影響，反射系數(shù)出現(xiàn)了兩個(gè)吸收峰，第一個(gè)吸收峰在5.1GHz,吸收峰值為-19.5dB，，第二個(gè)吸收峰在8.8GHz，吸收峰值為-27dB，吸波性能明顯增強(qiáng)，在4.6GHz?14.8GHz這個(gè)頻帶內(nèi)，反射系數(shù)均小于-1OdB,帶寬達(dá)到105.2%。
[0035]以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的構(gòu)思下，任何人可根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行修改、等同替換和改進(jìn)等，但這些均仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合寬頻帶吸波材料，包括地板、介質(zhì)板、頻率選擇表面與基體吸波材料層，所述地板設(shè)于所述介質(zhì)板的下表面，所述頻率選擇表面設(shè)于所述介質(zhì)板的上表面，所述基體吸波材料層涂覆于所述頻率選擇表面上，其特征在于，所述頻率選擇表面設(shè)有若干無(wú)源諧振單元，所述無(wú)源諧振單元為耶路撒冷十字孔徑形結(jié)構(gòu)，將若干所述無(wú)源諧振單元周期排列后成為孔徑型頻率選擇表面，并形成RLC并聯(lián)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合寬頻帶吸波材料，其特征在于，所述孔徑型頻率選擇表面為二維周期排列。
【文檔編號(hào)】H01Q17/00GK103490171SQ201310482280
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】王夫蔚, 洪濤, 呂潔, 姜文, 龔書喜, 張帥 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)