层状超薄高效吸波结构材料研究

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外形隐身技术因其可在特定方向显著降低目标的RCS,已成为雷达隐身技术的首选。但该技术不吸收电磁波,目标的散射特征仍可被多站雷达捕获。在此情形下,采用雷达吸波材料缩减目标总的RCS的方法显得尤为重要。传统研究吸波材料的方法是通过电磁仿真或多次实验的手段,费时费力且效率低。如何高效地设计出符合要求的吸波材料仍然是当前亟需解决的问题。本文根据类Salisbury屏结构的工作原理,给出了全文的吸波结构设计方法,即基于等效电路原理设计吸波结构。首先,采用二维周期单环加载电阻的结构,构建了一种超薄窄带吸波结构的设计一—单环周期型单层吸波结构,再推导出其等效电路;然后基于该等效电路设计一个厚度减半、工作于相同频点的吸波结构以验证方法的正确性。另外,利用天线阵列口径相互覆盖的概念,设计了第二种超薄吸波结构——阵列匹配负载型。仿真及实测结果表明,两种设计均不受介质基板选取限制、结构简单、设计灵活、实用性高。其次,展开了对超薄超宽带吸波结构的研究。基于上述吸波结构的设计方法,利用降低厚度的技术,结合克服高次模效应的原理,设计了多层的超宽带吸波结构的等效电路;根据等效电路与物理结构的对应关系,逐层进行HFSS建模,最后得到完整超宽带吸波结构的物理模型。作为实例,首先设计了一个石英玻璃衬底的超宽带吸波结构,该结构可实现2GHz~18GHz内-10dB的RCS缩减,并采用ITO膜工艺进行了加工和实测。在此工作基础上,为了进一步改进吸波结构的吸波效果,减轻重量,利用泡沫作为衬底,重新设计并加工了吸波结构,实现了2GHz~18GHz带内-15dB的RCS缩减。此外,采用较小尺寸的单环印刷电路构建层内结构,在保证其谐振频率始终大于最大高工作频率的前提下,提出了可用PCB板工艺实现的多层非谐振电路吸波结构设计,该设计可实现在2.5GHz~16GHz范围内约有-15dB的RCS缩减。再次,基于对吸波结构和辐射结构两种等效电路的深入研究,实现了一种宽带吸波与辐射的一体化结构。利用三环嵌套、每环加载集总电阻构建了具有宽带吸收特性的吸波结构;在不额外增加辐射单元的前提下,提出了集总电阻处并联加载开关的设计思路,通过开关“断”和“通”的两个状态,实现吸波和辐射功能的切换。为了验证设计思想,加工并实测了一个3×3的样品。结果表明,一体化结构工作于吸波模式时,其吸波性能不低于传统吸波材料:工作于辐射模式时,具有一定的辐射性能。最后,本文首次提出将负电阻和负电感的负阻抗器件引入到吸波结构的设计中,以解决目前吸波结构研制过程中存在的厚度、工作波长和吸收效率之间相互制约的问题。首先,基于填充介质的电磁参数对超宽带吸波体吸收效率影响的分析,阐述了负电阻的引入原理;其次,通过分析单层超薄宽带吸波体的阻抗特性,给出了负电感的引入原理;并对加载负电阻元件和负电感元件的吸波结构分别进行仿真设计,并给出它们的等效电路模型,结果显示负电阻和负电感元件的引入均可使吸波体同时具备超薄和高效的特性。
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