频率选择超材料内部沿面放电与蒙皮击穿特性研究

发布时间：2020-07-09 10:49

【摘要】：频率选择超材料是一种将金属超结构振子在介质基板上进行周期性阵列所形成的人工调制表面结构,这种超材料具有带内透射率高、带外截止能力强、宽入射角范围内频率特性好等优异电磁性能,这些性能使其在改善天线性能上有着巨大的应用潜力和发展空间。但由于这些金属超结构振子的存在,使罩体具有一定的金属属性,导致其雷电附着特性不同于常规天线罩,常规雷电屏蔽方式对其失效,其雷电危害更为突出。论文分析了超材料天线罩雷电防护的特殊性,确定了超材料天线罩雷电防护研究思路,设计了用于模拟雷电电压的1OOkV冲击电压试验系统,试验研究了超材料沿面放电和蒙皮击穿特性,仿真分析了超材料电场分布情况,探讨了蒙皮表面电荷对超材料流注击穿过程的影响。论文的主要内容有:(1)介绍了雷电对飞机的影响,从常规雷电防护方法失效、放电路径的变化这两方面,对超材料天线罩与普通天线罩进行了对比,分析了超材料天线罩雷电防护的特殊性,给出了解决超材料天线罩雷电防护问题的研究思路,并根据超材料沿面放电试验和流注击穿试验的需求,研制了 1OOkV雷电冲击电压试验系统。(2)开展了超材料沿面放电试验。研究了超材料沿面放电形貌特征,测量双电极在超材料表面不同相对位置下的放电电压,分析了双电极最短距离、双电极偏离角对沿面放电特性的影响。结果表明,超材料表面放电通道呈折线状,由两类放电路径组成,第一类路径与超结构周期方向平行,第二类路径与超结构周期方向夹角45°。进一步分析发现,超材料沿面放电的主通道发生在沿绝缘间隙总长度最短的路径上。随着双电极最短距离的增加,放电电压呈线性增加趋势。随着双电极连线偏离角的增大,沿面放电电压先增后减,当偏离角为0°或45°时,放电电压较低,当偏离角为22.5°时,放电电压较高。(3)开展了超材料蒙皮击穿试验。从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面,对比研究了两种超材料的放电特性,分析了两种超材料的电场分布情况。结果表明,谐振环型超材料的击穿电压最高,细丝状放电较暗且较少,靠近接地位置的细丝状放电较多;耶路撒冷型超材料的击穿电压最低,细丝状放电较亮且较多。进一步分析发现,细丝状放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷,表面电荷密度达上百μC/m2,在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场,数值达几十kV/cm,显著提高了蒙皮内部电场强度,蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

选择超材料是一种将金属超结构振子在介质基板上进行周期性排列所形成的人工逡逑电磁材料［１］，这些金属超结构振子是通过介质覆铜板化学刻蚀、介质材料的表面沉逡逑积和表面贴片等工艺形成，如图１所示。通过调整超材料上金属超结构振子的形逡逑状、尺寸和分布，使入射到超材料上的电磁波在谐振频点发生全反射或全透射，逡逑形成对电磁波频率、入射角度以及极化方式均有选择功能的空间滤波器，这种应逡逑用于频率选择技术上的超材料称之为频率选择超材料［ｗ］。这种超材料呈现带内透逡逑射率高、带外截止能力强、宽入射角范围内频率特性好等优异电磁性能，这些独逡逑特的电磁特性使其在改善天线性能上有着巨大的应用潜力和发展空间，因此频率逡逑选择超材料被普遍认为是先进飞机天线罩的理想罩体材料。逡逑图Ｕ超材料逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑雷电是神秘的，但对于大气中的飞机却是危险的。雷电的本质是一种伴随着逡逑高电压和强电流的放电现象，这种放电现象极具破坏性［４］。全球每年除了上千架飞逡逑机会在大气中遭遇雷击之外，停机坪上正在进行检修作业的工作人员、停放的飞逡逑机也会遭遇雷击

而针对超材料天线罩，大量金属超结构振子分布于天线罩罩壁内部，与分流逡逑条几乎处于相同的空间位置，分流条相对于金属超结构振子失去空间位置优势，逡逑如图２２所示。在雷电下行先导的发展过程中，罩壁内部部分区域金属超结构的感逡逑应电场强度会超过分流条上的电场强度，这些金属超结构相对于分流条更容易产逡逑生迎面先导［４Ｇ＿４４］，从而将雷电主放电通道引向超材料天线罩，导致分流条屏蔽失逡逑效。逡逑对超材料平板样品进行电场仿真时，与常规天线罩材料相比，其周围电场分逡逑布发生明显变化。图２．３⑷和（ｂ）分别为常规天线罩材料和耶路撒冷型超材料的周围逡逑电场仿真结果。对于常规天线罩材料，罩体内天线表面电场强度极高，分流条上逡逑电场强度极高，罩体表面电场强度较低。而对于耶路撒冷型超材料，罩体内天线逡逑表面电场强度极低，分流条上电场强度较高，但低于罩体表面电场强度。逡逑８逡逑

ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ逡逑为进一步对比两种材料表面电场分布情况，计算了两种材料表面电场强度沿逡逑分流条宽度方向变化情况，如图２．４所示。逡逑２５１逦——频率选择超材料逡逑２０逦广「常规雷达罩材料，）逡逑？逦逦分流条逦Ｉ邋｜逡逑！．逦Ｉ，邋Ｍ逡逑３邋５逡逑０逦Ｉ邋１邋Ｉ邋＇邋Ｉ邋１邋Ｉ邋＇逦！逦＇邋Ｉ邋＇邋Ｉ逡逑－１５逦－１０逦－５逦０逦５逦１０逦１５逡逑边距／ｃｍ逡逑图２．４电场强度沿分流条宽度方向分布情况逡逑Ｆｉｇ邋２．４邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ａｌｏｎｇ邋ｔｈｅ邋ｓｈｕｎｔ邋ｂａｒ邋ｗｉｄｔｈ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑结果表明，相较于常规天线罩材料，超材料表面电场强度更高，但超材料表逡逑面的分流条周围的电场强度较低。对于常规天线罩材料，分流条上电场强度可达逡逑２０ｋＶ／ｃｍ，罩体表面电场强度最大值不超过５ｋＶ／ｃｍ；对于频率选择超材料，分流逡逑条上电场强度最大仅为６ｋＶ／ｃｍ，罩体表面电场强度呈起伏状，大部分区域的电场逡逑强度超过了邋６ｋＶ／ｃｍ，局部区域电场强度超过了邋７ｋＶ／ｃｍ。逡逑对雷达隐身超材料平板样品进行雷电附着模拟试验的过程中

【参考文献】

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本文编号：2747345