基于亚波长结构的电磁低散射调控技术研究

发布时间：2020-07-24 13:20

【摘要】：隐身技术的核心是实现目标电磁特征的低散射设计,也可以称为目标低可探测技术。而电磁吸收材料作为电磁低散射调控技术的重要研究方向一直以来都是研究人员关注的热点。随着探测手段的多样化以及复合探测技术的快速发展,探测系统的目标识别和跟踪能力得到很大的提升。传统的电磁吸收材料难以满足电磁低散射调控技术的发展需求。亚波长结构的出现,为这一问题的解决提供了新的研究方向。亚波长结构材料由特定排布的阵列结构组成,是一种具有奇异电磁特性的人工结构材料。亚波长结构材料的一个核心因素是其阵列结构的周期远小于波长,在波矢匹配的条件下,材料中产生的高阶衍射级次会被束缚在结构内部而无法向自由空间传播。利用这一特性,通过巧妙设计可以增强损耗介质对电磁波的吸收效果,为电磁吸收材料的研究注入了新的设计理念,也带来了新的设计思路。本文主要围绕亚波长结构电磁低散射调控技术展开研究,设计出四类电磁低散射材料,分别是基于亚波长结构的双频红外电磁吸收材料;微波红外兼容的电磁低散射透明材料;基于二氧化钒材料的双向及宽带动态可调电磁吸收材料;基于有源亚波长结构的多功能动态低散射材料。相关研究有望在针对复合探测的低散射领域发挥作用,推动电磁低散射调控技术的发展。论文的具体研究内容包括以下几点:第一,提出了一种双频宽角电磁吸收材料的设计方法。该研究基于亥姆霍兹谐振以及局域表面等离子谐振在1.064μm及10.6μm处实现了双频近完美吸收,吸收率达到99.7%以上,且该双频吸波材料的频带比高达10。通过全波电磁仿真,验证了该电磁吸收材料的宽角吸收和极化不敏感特性,同时通过电场电流分布,理论分析了电磁能量的耗散原理,进一步解释了双频电磁吸收材料的物理机制。第二,提出了一种透明柔性的微波红外兼容电磁吸收材料的设计方法。根据基尔霍夫理论分析设计出了红外反射雷达透波的电容型频率选择表面,结合亚波长结构宽带电磁吸收理论实现了多波段复合的电磁吸收材料。计算结果和实验验证均表明,该亚波长结构材料在7.7-18 GHz内具有大于90%的高吸收率,即使在40度的斜入射下也能保持较强的吸收。另外,将该材料覆盖在金属柱上可以实现7.5-18 GHz范围内宽带雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)缩减性能。并且,该结构在大气窗口中具有0.23的低发射以实现红外目标低可探测性能。最后,由于透明材料氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)膜和聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)的使用,该材料保持了约30%的透光率。第三,提出了一种基于VO_2相变特性的新型电阻可调层。该电阻可调层通过电热效应能够实现等效电阻从18Ω/sq到300Ω/sq的动态调控,基于这一特性构造出了双向动态电磁吸收材料和非平面宽带宽角动态电磁吸收材料。其中双向动态电磁吸收材料可在两个方向上实现吸收率从18%到98%的大幅度动态调制;而非平面动态电磁吸收材料则能在曲面上实现从1.08 THz到2.5 THz的宽带电磁吸收,且吸收幅度可动态控制。上述两种动态电磁吸收材料都具有较好的角度适应性。第四,提出了基于亚波长结构的多功能电磁调控器件的设计方法,实现了RCS缩减调控、波束扫描、极化转化等电磁功能的动态重构。该材料的亚波长单元结构中同时集成了PIN(Positive-intrinsic-negative)二极管和变容二极管,通过改变偏置电压可产生180°位相差实现RCS缩减,进一步调制180°位相差的产生频段,可动态控制RCS的缩减频段;同时利用上述两种二极管的组合调控还产生了覆盖360°的连续反射位相差,实现了宽角波束扫描效果;此外进一步改变二极管的偏置电压配置,使材料在两个正交极化上产生0°,90°和-90°相位差,则实现了线极化和不同旋向圆极化状态的动态切换。上述三种电磁功能仅通过调控单层有源亚波长结构材料就能实现。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34
【图文】：

[10]。如图 1.1 所示，其结构由表层的金属谐振环（Electric Ring Resonator，ERR）及底层金属长条组成，中间使用厚度为 0.2 mm 的 FR-4 商用介质板隔开。该结构的设计思路是利用表层 ERR 来实现入射电磁波在亚波长结构中的电谐振，利用底

磁吸收材料研究动态来，为了应对现代化军事需求，目标低可探测技术材料的研究也成为了研究热点。电磁吸收材料的研究收性能。国内外对传统电磁吸收材料的研究主要集中[58-60]、铁氧体[61-63]、纳米吸波材料[64-67]、导电高聚金属粉末电磁吸收材料粉末主要指 Fe、Co、Ni 金属单质或者其相对应的的磁导率虚部，其对电磁波的损耗主要通过磁滞损属粉末按其粉末颗粒尺寸可以分为两类，一类的尺金属粉，包括羟基铁粉、钴粉及镍粉；另一类有着更小.5 μm 之间，称为磁性金属超微粉，其电磁特性与微

尖晶石铁氧体吸波材料[74]

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本文编号：2768903