一种吸波/散射一体化隐身超材料的制作方法

本发明属于隐身材料技术领域，具体涉及一种吸波/散射一体化隐身超材料。

背景技术：

随着雷达探测技术的不断发展及应用，针对雷达探测的电磁隐身技术显得越发重要。目前，比较成熟的雷达隐身技术主要有外形隐身和涂覆雷达吸波材料隐身。外形隐身即通过合理的外形设计将入射的雷达波偏折到非威胁方向，但是外部形状的改变会影响飞行器的气动性能。基于涂覆雷达吸波材料的隐身技术是通过将探测雷达发射的雷达的波以热能的形式损耗掉，但这种技术对材料的厚度要求较高导致厚度较重。因此迫切需要发展新型的电磁隐身技术。新型人工电磁材料，又称电磁超材料，它是指一些具备自然界中直接获取的材料所不具备的非常规物理性质的人工复合结构或是复合材料，其通常具有“亚波长尺寸”和“等效介质”等物理特征。由于电磁超材料可以实现对电磁波灵活的调控，电磁超材料在电磁隐身方面展现出了极大的应用价值，受到国内外军事领域的广泛关注。

电磁吸波超材料及电磁超表面作为电磁超材料的两个分支，在电磁隐身方面都具有较高的应用价值。电磁吸波超材料是指通过材料自身的介电损耗、磁损耗或是导电损耗，将电磁波能量转化成热能而被损耗掉。电磁超表面是二维形式下的超材料，它是由二维亚波长或深亚波长结构单元阵列组成的。通过对亚波长结构的超表面谐振单元的反射和透射的幅值和相位空间分布的调制可实现对反射和透射波束的波阵面、极化方式、传播方向、传播模式等的自由调控。此外，通过将电磁超表面与二进制编码相结合的编码超表面，可以实现对电磁波的数字化控制。例如，对于一比特编码，选用两种相位差为180度左右的基本单元，将其分别编码为二进制编码单元“0”与“1”。通过将编码单元“0”、“1”按照不同的编码序列排列，可以实现不同的功能。由于电磁吸波超材料和电磁超表面都能对电磁波进行调制，所以它们都可用于雷达散射截面的缩减。

然而，上述两种关于超材料调控电磁波的设计主要是单方面地吸收电磁波或调控反射波传播方向，并未实现对电磁波吸收和散射的综合调控。

技术实现要素：

本发明提供了一种吸波/散射一体化隐身超材料，解决了上述技术问题。

本发明目的是提供一种吸波/散射一体化隐身超材料，包括沿电磁传播方向依次设置的第二超材料层、第三基板、第一超材料层、第四基板和金属板底层；

所述第一超材料层包括第一基板、排布于所述第一基板上的多个第一人造微结构单元，所述第一人造微结构单元包括排布在所述第一基板上的人造微结构和印制在所述第一基板上的第一吸波超材料；

所述第二超材料层包括第二基板和排布在所述第二基板上的多个第二人造微结构单元，所述第二人造微结构单元为印制在所述第二基板上的第二吸波超材料，所述第二人造微结构单元与所述第一人造微结构单元在沿电磁传播方向上位置对应。

优选地，所述人造微结构为s形，且所述第一基板在所述人造微结构四角处分别印制有所述第一吸波超材料。

优选地，所述第二吸波超材料与所述第一吸波超材料在沿电磁传播方向上位置对应。

优选地，所述人造微结构是通过印刷电路板技术刻附在所述第一基板表面的金属结构。

优选地，所述第一吸波超材料和所述第二吸波超材料均为电阻膜。

优选地，所述电阻膜的方阻为90～110ω/sq。

优选地，所述第一基板和所述第二基板均为厚度为0.1mm的fr4基板。

优选地，所述第三基板和所述第四基板均为厚度为1～3mm的pmi泡沫基板。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果:

(1)本发明实现了对吸波和散射的综合调控，而不是单方面的吸波或散射，通过优化结构设计，有效地将吸波超材料与超表面结合起来，扩展了两者的频带，实现了在7.6-41.9ghz超宽带的雷达散射截面缩减；此外还可以通过调节电阻膜的方阻和超表面的编码方式进行来实现对电磁波更加灵活的控制，在隐身技术上具有广阔的应用空间；

(2)本发明将吸波和散射结合起来，在实现超宽带缩减的同时，还实现了更加高效的缩减，仿真结果表明在8.7-27.9ghz及31.4-39.4ghz实现了15db以上的缩减；

(3)本发明在设计过程中利用轻质的pmi泡沫作为基板，实现了超宽带、高效的缩减，轻质和超薄的特性使得本设计在实际应用中具有更高的价值；

(4)本发明中所采用的电阻膜吸波超材料与超表面目前都有非常成熟的加工技术，制备简单且加工成本较低。

附图说明

图1是本发明提供的吸波/散射一体化隐身超材料结构示意图；

图2是图1各功能层具体结构示意图；其中：(a)是整体单元结构的三维示意图；(b)是第一人造微结构单元表面结构示意图，中间s形区域为金属结构，顶角处的四个正方形为电阻膜，(c)是第二人造微结构单元表面结构示意图；

图3是同极化仿真曲线；其中：(a)是金属结构旋转不同角度的同极化反射幅值，(b)是金属结构旋转不同角度的同极化反射相位；

图4是不同编码单元组成的一比特编码超表面与电阻膜一体结构在12ghz及35ghz的三维远场仿真结果；其中：(a)是在12ghz编码序列为0101…/1010…的棋盘相位一体结构的三维远场仿真图，(b)是在12ghz编码序列随机相位一体结构的三维远场仿真图，(c)是在35ghz编码序列为0101…/1010…的棋盘相位一体结构的三维远场仿真图，(d)是在35ghz编码序列随机相位一体结构的三维远场仿真图；

图5是棋盘相位与随机相位在7-42ghz范围内与同尺寸金属板的雷达散射截面仿真结果；

图6是随机相位分布样品的镜面反射率测试结果。

附图说明：

1、第一超材料层，2、第二超材料层，3、第三基板，4、第四基板，5、金属板底层。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种吸波/散射一体化隐身超材料，如图1和图2a所示，包括沿电磁传播方向依次设置的第二超材料层2、第三基板3(厚度可为1～3mm的pmi泡沫基板均可，此处为2mm)、第一超材料层1、第四基板4(厚度可为1～3mm的pmi泡沫基板均可，此处为2mm)和金属板底层5(厚度为0.017mm的金属板)；所述第一超材料层1包括第一基板(厚度为0.1mm的fr4基板)、排布于所述第一基板上的多个第一人造微结构单元，所述第一人造微结构单元包括排布在所述第一基板上的人造微结构(通过印刷电路板技术刻附在所述第一基板表面的金属结构，为s形)和印制在所述第一基板上的第一吸波超材料(第一吸波超材料分布在金属结构四角，以保证吸波与散射的协同作用效果)；所述第二超材料层2包括第二基板(厚度为0.1mm的fr4基板)和排布在所述第二基板上的多个第二人造微结构单元，所述第二人造微结构单元为印制在所述第二基板上的第二吸波超材料，所述第二人造微结构单元与所述第一人造微结构单元在沿电磁传播方向上位置对应，所述第一吸波超材料和所述第二吸波超材料均为电阻膜，电阻膜的方阻可为90～110ω/sq，此处优选100ω/sq，所述第二吸波超材料与所述第一吸波超材料在沿电磁传播方向上位置对应，且第一吸波超材料印制面积小于第二吸波超材料(图2b和图2c)。

下面我们对上述吸波/散射一体化隐身超材料进行检测，进一步说明本发明提供的吸波/散射一体化隐身超材料性能。

通过cst商业仿真软件仿真检测金属结构旋转不同角度的同极化反射幅值，在仿真过程中，x和y方向的边界条件设为“unitcell”，z方向设为“openaddspace”；从图3(a)仿真结果可以看出，在7.7-19.7ghz同极化的反射幅值都在0.7以上，结合交叉极化反射幅值仿真结果，可以得出超表面的极化转换作用主要在低频处，电阻膜的吸波作用在高频处，还可以看出将金属旋转不同的角度，同极化的反射幅值几乎不受影响；图3(b)为金属结构旋转不同角度的同极化反射相位，可以看出相位差在整个频带内都很稳定。

三维远场仿真图是通过cst商业仿真软件仿真得到的，在仿真过程中，x、y和z方向的边界条件都设为“openaddspace”，入射波设为左旋极化平面波,图4(a)是在12ghz下，编码序列为0101…/1010…的棋盘相位的编码超表面与电阻膜一体结构的三维远场仿真图，可以看出波束被分裂为四束从而降低回波方向的能量；图4(b)是在12ghz下，随机编码序列的编码超表面与电阻膜一体结构的三维远场仿真图，可以看出波束被随机反射到空间各个方向，可以看出在低频处编码超表面起到主要作用，同时电阻膜的也起到一定的吸波作用；同样的，在35ghz下两者的三维远场仿真结果分别如图4(c)及(d)所示，可以看出编码超表面在高频处同样也有一定的效果，这是由于电阻膜将大多数电磁波吸收后，超表面对未被吸收的电磁波起的作用，因此，超表面与电阻膜在整个频带都起到了作用。

雷达散射截面仿真结果是通过cst商业仿真软件仿真得到的，在仿真过程中，x、y和z方向的边界条件都设为“openaddspace”，入射波为左旋极化平面波,图5是棋盘相位与随机相位在7-42ghz范围内与同尺寸金属板的雷达散射截面仿真结果，从图中可以看出，棋盘相位与随机相位的缩减效果几乎相同，在7.6-41.9ghz雷达散射截面实现10db以上的缩减，其中在8.7-27.9ghz及31.4-39.4ghz实现了15db以上的缩减，这种超宽带及高效的缩减效果是由吸波与散射共同作用实现的。

镜面反射率的测试是在微波暗室中进行，将样品放于地面，发射和接收的喇叭天线置于样品正上方约2米处，首先将等尺寸的金属板放在喇叭天线的正下方，将此时的镜面反射率进行归一化处理，然后将样品放在与金属板相同的位置，即可测出该样品的镜面反射率；图6为随机相位分布样品的镜面反射率测试结果，从图中可以看出，镜面反射率在8.1-42ghz范围内几乎都处于15db以下。

综上所述，本发明实现了对吸波和散射的综合调控，而不是单方面的吸波或散射，通过优化结构设计，有效地将吸波超材料与超表面结合起来，扩展了两者的频带，实现了在7.6-41.9ghz超宽带的雷达散射截面缩减；此外还可以通过调节电阻膜的方阻和超表面的编码方式进行来实现对电磁波更加灵活的控制，在隐身技术上具有广阔的应用空间；本发明将吸波和散射结合起来，在实现超宽带缩减的同时，还实现了更加高效的缩减，仿真结果表明在8.7-27.9ghz及31.4-39.4ghz实现了15db以上的缩减；本发明在设计过程中利用轻质的pmi泡沫作为基板，实现了超宽带、高效的缩减，轻质和超薄的特性使得本设计在实际应用中具有更高的价值。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。