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由于雷达技术的迅速发展,隐身技术在现代战争中的作用及其战略战术意义越来越重要。目标隐身的一种有效方法就是在目标表面涂敷雷达吸波材料,使目标的RCS减小,目前雷达吸波材料正向着工作频带宽、厚度薄、重量轻、强度高的方向发展。当工作频率较低时,现有吸波材料的损耗,尤其是磁损耗通常较小,而在实际应用中,对纳米吸波材料涂层的厚度和重量有严格的限制,其吸波性能随微波频率的降低而减弱,微波低频段的吸波性能不够理想。本论文围绕如何利用频率选择表面(FSS)来改善纳米吸波材料在低频段的吸波性能,使吸波频带进一步展宽。主要工作分为以下几方面:
(一)用传输线理论,建立了单层、多层吸波材料结构的传输线等效电路,分析了吸波材料参数对微波吸收带宽的影响;采用电磁波全波仿真分析软件Ansoft HFSS,对吸波材料涂敷的金属平板进行了仿真分析,仿真结果和传输线等效电路分析的结果吻合,无论是吸收峰的位置还是吸收峰的幅度都基本相同。
(二)对FSS的工作原理进行了分析,建立了FSS的传输线等效电路;同时利用电磁仿真软件Ansoft HFSS对不同几何结构和尺寸的FSS单元进行了深入和全面的分析。无论是等效的传输线模型,还是电磁波全波仿真分析,都表明FSS单元的形状和尺寸决定了它的谐振频带位置,因此,通过合适地选择FSS单元的形状和尺寸,使之具有相应的等效电阻、电容和电感,可以有效设计FSS的谐振频率。
(三)结合FSS的频率选择性质,设计了FSS和吸波材料涂层组成的双层复合结构,这种结构的低频(S波段)微波吸收性能可以得到明显的改善。我们对这种复合结构改善微波低频吸收性能的原理进行了分析,建立了这种复合结构的传输线等效电路,同时采用ansoft HFSS对FSS和吸波材料涂层复合结构进行了仿真分析,研究了吸波材料的参数变化和FSS的周期及其单元形状的变化对整体电磁吸波性能的影响。传输线等效分析方法和HFSS全波仿真分析得到了基本一致的结果。我们还采用分块结构的设计原理,对分块设计的FSS和吸波材料复合结构的电磁波反射特性进行了定性的分析。
(四)在上述的理论分析基础上,我们进行了一系列的实验研究工作。设计了合适的FSS结构和尺寸,实际制作了FSS和吸波材料涂层复合结构以及分块结构。在微波暗室中测量了单纯纳米吸波涂层涂敷金属平板、FSS与吸波材料复合结构涂敷金属平板及分块结构的微波反射性能,并对测量结果与理论分析结果进行了比较,两者基本吻合。实验结果表明,单纯纳米吸波涂层涂敷的金属平板,反射系数小于-10dB频带范围在3.1GHz到4GHz之间,S波段吸波性能不理想。而FSS与吸波材料复合结构涂敷金属平板,在整个2-8GHz范围内,反射系数基本上都在-5dB以下,反射系数小于-10dB频带范围在2.7GHz到5.1GHz之间,频带宽度为2.4GHz,S波段的吸波性能得到明显改善,吸波涂层的带宽得到明显展宽。
本论文的研究工作表明,采用频率选择表面与吸波材料涂层结合的方法,可以针对某些频段,例如低频段,改善其吸波性能。本文的研究内容及其方法为进一步提高纳米铁磁性吸波材料的低频吸波性能提供了一种切实可行的途径。