宽带周期吸波结构设计及其电磁耦合特性研究

发布时间：2020-10-24 13:37

　　吸波材料是指能够有效吸收并损耗掉入射到其表面的电磁能量的一类重要的功能材料。在低可探测隐身技术、RFID天线抗金属隔离、微波暗室以及电磁污染防护等方面具有广泛的应用。但传统吸波材料,如Salisbury屏、Jaumann吸波体、吸波涂层等,存在吸波频带窄、结构厚度大、材料密度高等缺点;而一些基于超材料的新型吸波结构,如电环谐振器和短截线构成的超材料完美吸波结构以及采用最新的3D打印技术制备的吸波蜂窝结构,也同样存在类似的问题,无法满足现代电子信息技术发展对宽频带、薄型化、轻量化的使用要求。针对上述问题,本文以周期单元吸波结构为研究对象,通过分析单元结构中电磁场分布和能量损耗状态,建立相应的等效集总参数电路模型和多级反射干涉分析模型,并以轻质的聚甲基丙烯酰亚胺硬质泡沫板或蜂窝芯材为基体,结合电阻膜等损耗材料,从结构厚度、等效电磁参数以及层间耦合作用等角度出发,优化单元几何参数及组成材料,实现结构宽带、轻质、高效吸波。主要研究工作和创新如下:(1)提出一种基于不等式的选择等效电磁参数折射率实部分支的方法。在传统参数反演算法的基础上,结合等效折射率、等效本征阻抗和等效电参数之间的关系,推导出满足被动无源介质的不等式,用以选择等效折射率实部分支。相较于常用的泰勒级数展开或Kramers-Kronig(K-K)积分等方法,该法计算难度低,对分支的选择也更简单。(2)提出一种非均匀周期单元宽带吸波结构的设计方案。根据平面单元均匀周期吸波结构在阻抗匹配时不同谐振点需要不同方阻电阻膜的特点,通过非均匀周期单元结构的优化设计,在厚度不变的前提下,使结构-10dB(吸收率A=90%)的吸收带宽(4.5~13GHz)较之R_(sq)=170Ω/□的均匀结构(6~12GHz)提高42%,有效改善结构在C波段的吸收性能。(3)提出超薄结构层间近场耦合效应,并建立结构厚度和频偏之间的函数关系。为实现结构薄型化和低频吸波,对平面超薄单元周期吸波结构进行优化设计,通过CST仿真和Matlab多级反射干涉模型的计算结果的对比,发现层间近场耦合效应,可使吸收峰产生红移,有利于低频吸波结构设计。(4)发现平面结构中的全反射,在给出数理解释的同时,提出立体单元周期吸波结构的设计方案,用以抑制全反射,提升平面结构的吸波性能。针对平面单元周期吸波结构在介质层无耗时易产生全反射的不足,通过立体单元或图形化的吸波蜂窝,在介质层引入损耗因子,有效抑制全反射,使结构的吸波性得到提升(低频吸收性能提高20%,吸波带宽展宽43.6%)。总之,本论文的研究工作对周期单元吸波结构的吸波机理以及宽带设计思路和方法进行了深入研究,简化了等效参数反演过程中对折射率实部分支选取的方法,完善了多层结构多级反射干涉模型的递归算式和透射系数,并提出了抑制平面结构全反射的有效方案,对宽带、轻质、高效吸波结构设计具有指导意义。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN953;TB34
【部分图文】：

飞行器,外形设计,隐身技术,散射场

而使得目标体在探测雷达的显示系统彻底消失。而回波能量的大小则标体散射场 Es或 Hs的大小。此，要实现雷达隐身，就必须要控制目标体散射场。散射场越小，RC雷达的探测距离也就越小。基于此，目前最常用、也最有效的技术手外形设计和使用雷达吸波材料。除此之外还有超材料隐身技术、有源电子欺骗和干扰等。低 RCS 外形设计 RCS 外形设计也称外形隐身技术，是通过改变目标体的外形布局以波照射到其表面之后产生的镜面散射和角反射，并将主要的散射方胁区域。对飞行器来说，比如 J-20 和 F-22（图 1-2），常用的设计方合技术、座舱-机身融合设计、内埋式武器装备以及双垂尾或 V 形尾低 RCS 外形设计是目标体具备良好隐身性能和隐身水平的基础，但性能的限制，单一的外形设计并不能从整体上实现理想的隐身性能，综合其他的隐身技术手段来实现最终的设计目的。

吸波体,微波暗室

第一章绪论制备工艺中还是很困难的。不过，Jaumann 吸波体阻抗渐变形状的变化来实现。比如尖锥形吸波泡棉（图 1-6 (a)），当往锥底传播时，吸波体横截面的占空比呈连续变化，这样就波体平滑渐变的等效阻抗，以及电磁波在传播过程中的最用吸波体自身的材料损耗将进入其内部的电磁能量损耗掉变吸波体是一种单层材料，其材料的本征参数是均匀的，只，制备工艺要简单得多。常见结构有楔形，金字塔形和锥形波尖锥多用于微波暗室，如图 1-6 (b)所示。

吸波结构,蜂窝,实物