一种柔性透明超宽带RCS减缩装置

一种柔性透明超宽带rcs减缩装置
技术领域
1.本发明属于雷达rcs减缩材料及其制备技术领域，涉及一种柔性透明超宽带rcs减缩装置，尤其涉及一种使用柔性透明超宽带超材料制备的rcs减缩装置。


背景技术：

2.面对快速发展的雷达探测技术，雷达散射截面(rcs)减缩的研发受到了空前的压力，传统的rcs减缩方式以电磁吸收材料和结构优化的方式进行雷达散射截面的减缩，但这两种方式对于近空间飞行器的性能产生很大限制。同时日常生活中，rcs减缩的应用因为其大部分采用表面涂层或者塔形结构材料，使其在实际使用中，缺乏柔性共形、可视性、频段窄，而难以广泛应用，在民用方面存在巨大空缺。
3.但近些年随着超材料的提出，因其特殊的物理性质在电磁调控具有广阔前景，其中在幅度、极化、相位等调控方面具有优越的灵活性，并且可以适用于rcs减缩中。超材料rcs减缩方式对比传统方式在电磁方面并不是仅仅局限在电磁吸收(幅度)方向上，其可以根据极化、相位的单元进行布阵，达到相位相消和极化转换等方式实现rcs减缩，但是现有超材料装置也具备局限性如工作频段窄、机理单一造成rcs缩减效果差、难以在共形的同时实现高rcs缩减、可视性差。并不能应用在需要可视化以及共形需求的rcs减缩设备上。本发明的目的是致力于解决上述rcs减缩设备的工作带宽窄、可视性差、机理单一、rcs缩减效果差的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的是致力于解决rcs减缩设备存在工作带宽窄、可视性差、机理单一以及rcs缩减效果差的缺陷，提出了一种柔性透明超宽带rcs减缩装置，所述装置利用柔性透明介质材料，基于电磁吸收、极化转换、相位相消原理制备超宽带rcs减缩装置，所述装置具有共形性和可视性且能保持在较高曲径下的高rcs减缩。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种柔性透明超宽带rcs减缩装置，为a结构单元和b结构单元间隔排布并构成的a结构单元周期或b结构单元周期；所述a结构单元周期和b结构单元周期分别包括左上、右上、左下和右下排布的a结构单元及左上、右上、左下和右下排布的b结构单元；所述a结构单元或b结构单元，包括间隔排布的0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构；所述0
°
子单元周期结构由16个0
°
子单元结构按照4
×
4方式排布成正方形得到；所述90
°
子单元周期结构由16个90
°
子单元结构按照4
×
4方式排布成正方形得到；
7.所述0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构均为在常温下任意弯曲且光学透明的六层结构；且所述六层结构从上到下为：第1聚二甲基硅氧烷pdms层、第1氧化铟锡ito层、第1涤纶树脂pet层、第2聚二甲基硅氧烷pdms层、第2涤纶树脂pet层及第2氧化铟锡ito层；
8.所述第1氧化铟锡ito层位于装置第2层为各向异性结构的电阻薄膜；
9.所述电阻薄膜为各向异性结构，可实现对入射电磁波的相位和极化调控，其中相
位调控可实现0
°
和180
°
的变换，极化调控为线极化转换；电阻薄膜可实现对入射电磁波的幅度调控，幅度调控方式为电磁吸收；
10.所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层、第2聚二甲基硅氧烷pdms层、第1氧化铟锡ito层、第2氧化铟锡ito层、第1涤纶树脂pet层以及第2涤纶树脂pet层均为柔性透明材料，可使所述rcs减缩装置实现共形透明功能；所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层位于所述装置的第1层，对入射电磁波起到电磁吸收和传输线作用。
11.所述左上、右上、左下和右下排布的a结构单元为k个；所述左上、右上、左下和右下排布的b结构单元为s个；所述k为nk的平方，s为整数sk的平方且nk和sk分别大于等于2。
12.所述a结构单元为：左上为0
°
子单元周期结构、右上为90
°
子单元周期结构、左下为90
°
子单元周期结构和右下0
°
子单元周期结构。
13.所述b结构单元为：左上为90
°
子单元周期结构、右上为0
°
子单元周期结构、左下为0
°
子单元周期结构和右下90
°
子单元周期结构。
14.所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层和第2聚二甲基硅氧烷pdms层统称为聚二甲基硅氧烷pdms层；所述pdms即聚二甲基硅氧烷；第2聚二甲基硅氧烷pdms位于所述装置的第4层，起支撑和传输线作用；所述第1氧化铟锡ito层和第2氧化铟锡ito层统称为氧化铟锡ito层，是具有特定数值的电阻薄膜且所述ito即氧化铟锡。
15.所述第1氧化铟锡ito层为0
°
和90
°
间隔排布的周期结构，该层提供rcs减缩装置所需的电阻、电容和电感，实现对入射电磁波的电磁吸收、极化转换和相位相消。
16.所述第2氧化铟锡ito层位于装置第6层，为无结构的整面ito层，作为底部反射层防止电磁波透射出去。
17.所述第1涤纶树脂pet层和第2涤纶树脂pet层统称为涤纶树脂pet层，且所述pet即涤纶树脂。
18.所述第1涤纶树脂pet层位于装置第3层，为第1氧化铟锡ito层的衬底层，起到支撑作用；第2涤纶树脂pet层位于装置第5层，为第2氧化铟锡ito层的衬底层，起到支撑作用。
19.所述第1氧化铟锡ito层为各向异性结构可根据使用频段选择方形开口环、圆形开口环、长方形、尖括号形及鳍形结构中的一种或组合而成第1氧化铟锡ito层表面结构。
20.所述rcs减缩装置使用微纳加工工艺制备，具有集成度高和平面化的优势，有利于实现共形状态下的高rcs减缩；所述第1氧化铟锡ito层表面结构与第1涤纶树脂pet层相连；第1氧化铟锡ito层通过磁控溅射的方式溅射在第1涤纶树脂pet层的表面a面，得到溅射上具有表面结构ito层的第1涤纶树脂pet层表面a面。
21.所述第1涤纶树脂pet层为谐振结构的衬底层；所述第2氧化铟锡ito层通过磁控溅射的方式溅射在第2涤纶树脂pet层的表面a面；所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层通过键合与溅射上具有表面结构ito层的第1涤纶树脂pet层表面a面进行连接。
22.所述第1涤纶树脂pet层表面b面以及第2涤纶树脂pet层的表面b面与第2聚二甲基硅氧烷pdms层通过键合进行连接；所述第1涤纶树脂pet层和第2涤纶树脂pet层分别为氧化铟锡ito导电薄膜的衬底；第1涤纶树脂pet层和第2涤纶树脂pet层的全光线透过率范围以及卷曲值范围分别为70％～85％和0～12mm；第1聚二甲基硅氧烷pdms层和第2聚二甲基硅氧烷pdms层的全光线透过率：90％～98％且可任意弯曲。
23.有益效果
24.所述一种柔性透明超宽带rcs减缩装置，与现有装置相比，具有如下有益效果：
25.1.所述rcs减缩装置，可以实现复杂机理的多功能rcs减缩方式，主要方式包括：电磁吸收、极化转换和相位相消；
26.2.所述rcs减缩装置，单元仿真结构可实现在8.6ghz到35.9ghz实现电磁吸收达到90％，其中极化转换占6％，反射占4％；
27.3.所述rcs减缩装置，总单元周期结构可实现在8.8ghz到37.2ghz之间单站rcs减缩达到-10db以下，同时在8.9ghz到37.2ghz之间双站rcs减缩达到-10db以下；
28.4.所述rcs减缩装置，总单元周期结构可实现在0-45
°
的宽角度rcs减缩，且能在工作频段内保持-8db以下；
29.5.所述rcs减缩装置，总单元周期结构可实现在曲径为30mm、45mm、60mm的弯曲rcs减缩且能在工作频段内保持-10db以下；
30.6.所述rcs减缩装置，采用的组成材料氧化铟锡(ito)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)和聚二甲基硅氧烷(pdms)均为柔性材料且在可见光波段下的透光率均在85％以上，保证所述rcs减缩装置的可视性。
附图说明
31.图1为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的阵列结构示意图和单元结构图；
32.图2为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的等效电路图；
33.图3为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的吸收转换率仿真结果和等效电路计算吸收率结果；
34.图4为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的吸收转换率、吸收率、极化转换率的仿真结果；
35.图5为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的减缩机理占比图；
36.图6为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的极化转换效率和极化转换率；
37.图7为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的相位差；
38.图8为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的不同入射角度下单站rcs减缩仿真结果；
39.图9为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的不同入射角度下双站rcs减缩仿真结果；
40.图10为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的不同弯曲度下的单站rcs减缩仿真结果；
41.图11为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的不同入射角度下单站rcs减缩测试结果；
42.图12为本发明柔性透明超宽带rcs减缩装置的实物图。
具体实施方式
43.下面结合附图及实施例对本发明所述的柔性透明超宽带rcs减缩装置进行详细阐述。
44.实施例1
45.一种柔性透明超宽带rcs减缩装置，具体实施时，为a结构单元和b结构单元(如图1所示)间隔排布并构成的a结构单元周期或b结构单元周期；所述a结构单元周期和b结构单元周期分别包括左上、右上、左下和右下排布的a结构单元及左上、右上、左下和右下排布的b结构单元；所述a结构单元或b结构单元，包括间隔排布的0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构；所述0
°
子单元周期结构由16个0
°
子单元结构按照4
×
4方式排布成正方形得到；所述90
°
子单元周期结构由16个90
°
子单元结构按照4
×
4方式排布成正方形得到(如图1)；
46.所述0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构均为在常温下任意弯曲且光学透明的六层结构；且所述六层结构从上到下为：第1聚二甲基硅氧烷pdms层、第1氧化铟锡ito层、第1涤纶树脂pet层、第2聚二甲基硅氧烷pdms层、第2涤纶树脂pet层及第2氧化铟锡ito层；
47.所述第1氧化铟锡ito层位于装置第2层为各向异性结构的电阻薄膜；
48.所述电阻薄膜为各向异性结构，可实现对入射电磁波的相位和极化调控，其中相位调控可实现0
°
和180
°
的变换，极化调控为线极化转换；电阻薄膜可实现对入射电磁波的幅度调控，幅度调控方式为电磁吸收；
49.所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层、第2聚二甲基硅氧烷pdms层、第1氧化铟锡ito层、第2氧化铟锡ito层、第1涤纶树脂pet层以及第2涤纶树脂pet层均为柔性透明材料，可使所述rcs减缩装置实现共形透明功能；所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层位于所述装置的第1层，对入射电磁波起到电磁吸收和传输线作用。
50.所述左上、右上、左下和右下排布的a结构单元为k个；所述左上、右上、左下和右下排布的b结构单元为s个；所述k为nk的平方，s为整数sk的平方且nk和sk分别大于等于2。
51.所述a结构单元为：左上为0
°
子单元周期结构、右上为90
°
子单元周期结构、左下为90
°
子单元周期结构和右下0
°
子单元周期结构。
52.所述b结构单元为：左上为90
°
子单元周期结构、右上为0
°
子单元周期结构、左下为0
°
子单元周期结构和右下90
°
子单元周期结构。
53.所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层和第2聚二甲基硅氧烷pdms层统称为聚二甲基硅氧烷pdms层；所述pdms即聚二甲基硅氧烷；第2聚二甲基硅氧烷pdms位于所述装置的第4层，起支撑和传输线作用；所述第1氧化铟锡ito层和第2氧化铟锡ito层统称为氧化铟锡ito层，是具有特定数值的电阻薄膜且所述ito即氧化铟锡。
54.所述第1氧化铟锡ito层为0
°
和90
°
间隔排布的周期结构，该层提供rcs减缩装置所需的电阻、电容和电感，实现对入射电磁波的电磁吸收、极化转换和相位相消。
55.所述第2氧化铟锡ito层位于装置第6层，为无结构的整面ito层，作为底部反射层防止电磁波透射出去。
56.所述第1涤纶树脂pet层和第2涤纶树脂pet层统称为涤纶树脂pet层，且所述pet即涤纶树脂。
57.所述第1涤纶树脂pet层位于装置第3层，为第1氧化铟锡ito层的衬底层，起到支撑作用；第2涤纶树脂pet层位于装置第5层，为第2氧化铟锡ito层的衬底层，起到支撑作用。
58.所述第1氧化铟锡ito层为各向异性结构可根据使用频段选择方形开口环、圆形开口环、长方形、尖括号形及鳍形结构中的一种或组合而成第1氧化铟锡ito层表面结构。
59.所述rcs减缩装置使用微纳加工工艺制备，具有集成度高和平面化的优势，有利于实现共形状态下的高rcs减缩；所述第1氧化铟锡ito层表面结构与第1涤纶树脂pet层相连；
第1氧化铟锡ito层通过磁控溅射的方式溅射在第1涤纶树脂pet层的表面a面，得到溅射上具有表面结构ito层的第1涤纶树脂pet层表面a面。
60.所述第1涤纶树脂pet层为谐振结构的衬底层；所述第2氧化铟锡ito层通过磁控溅射的方式溅射在第2涤纶树脂pet层的表面a面；所述第1聚二甲基硅氧烷pdms层通过键合与溅射上具有表面结构ito层的第1涤纶树脂pet层表面a面进行连接。
61.所述第1涤纶树脂pet层表面b面以及第2涤纶树脂pet层的表面b面与第2聚二甲基硅氧烷pdms层通过键合进行连接；所述第1涤纶树脂pet层和第2涤纶树脂pet层分别为氧化铟锡ito导电薄膜的衬底；第1涤纶树脂pet层和第2涤纶树脂pet层的全光线透过率范围以及卷曲值范围分别为70％～85％和0～12mm；第1聚二甲基硅氧烷pdms层和第2聚二甲基硅氧烷pdms层的全光线透过率：90％～98％且可任意弯曲。a结构单元周期形式的柔性透明超宽带rcs减缩装置，具体样式如图1所示，实施方法如下：
62.首先要进行子单元周期设计，所述0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构均为在常温下任意弯曲且光学透明六层结构且从上到下为：第1聚二甲基硅氧烷pdms层、第1氧化铟锡ito层、第1涤纶树脂pet层、第2聚二甲基硅氧烷pdms层、第2涤纶树脂pet层以及第2氧化铟锡ito层，所述第1氧化铟锡ito层位于装置第2层为各向异性结构的电阻薄膜，可实现对入射电磁波的相位和极化调控，其中相位调控可实现0
°
和180
°
的变换，极化调控为线极化转换；电阻薄膜可实现对入射电磁波的幅度调控，幅度调控方式为电磁吸收，即提供rcs减缩装置所需的电阻、电容和电感，按照等效电路和传输线理论，将其等效成图2的等效电路，建立起rcs减缩装置和等效电路传输线之间的关系。这里设定工作频段在8.6ghz到35.9ghz，可计算出第1聚二甲基硅氧烷pdms层和第2二甲基硅氧烷pdms层ⅱ的理论厚度为2mm，同时计算出工作频段内的理论电磁吸收值，如图3所示理论电磁吸收值。再通过仿真软件优化各向异性结构尺寸计算吸收转换率，去贴合理论电磁吸收值。根据电磁场理论，rcs减缩装置的电磁吸收和极化转换主要受透射和反射的影响。吸收转换率acr可表示为：
[0063][0064]
电磁吸收可表示为：
[0065][0066]
极化转换率可表示为：
[0067][0068]
该子单元周期结构的仿真结果如图4所示，其中8.6ghz到35.9ghz实现吸收转换达到90％以上，其中电磁吸收占93.75％以上，极化转换占6.25％。在8.6ghz到35.9ghz内电磁吸收率占90％、极化转换率占6％，反射率占4％，占比图如图5所示，极化转换效率在工作频段内平均可达75％以上如图6所示，相位差稳定在180
°
如图7所示。这里采取的各向异性结构为：尖括号形结构、鳍形结构和长方形结构，具体优化出的尺寸如下：l＝10mm，l1＝3.68mm，d＝0.55mm，l2＝2.12mm，l3＝3.54mm，l4＝2.94mm。
[0069]
在子单元周期结构完成后，按照4
×
4排布成0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构。再进行a结构单元周期排布，排布方式如下：
[0070]
a结构单元包括0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构。左上为0
°
子单元周期结
构，右上为90
°
子单元周期结构、左下为90
°
子单元周期结构和右下0
°
子单元周期结构间隔排布，构成a结构单元，再按照左上、右上、左下和右下排布的k个a结构单元排布成a结构单元周期，述k为nk的平方，实施例中nk＝2，如图1的单元结构示意图所示。
[0071]
根据上述方式排布成a结构单元周期，实现相位相消功能，进而实现高rcs减缩。多入射角度下的单站rcs减缩仿真结果如图8所示，所述rcs减缩装置可实现工作频段为8.8ghz到37.2ghz之间单站rcs减缩达到-10db以下，当入射角度发生改变时，仍能保持-8db以下，如图8所示。所述rcs减缩装置可实现工作频段为8.9ghz到37.2ghz之间双站rcs减缩达到-10db以下，且入射角度发生改变时，仍能保持-8db以下，如图9所示。所述rcs减缩装置可实现在曲径为30mm、45mm、60mm的弯曲rcs减缩，且能在工作频段内保持-10db以下，如图10所示，并利用弓形法对该装置的rcs减缩进行测试，测试结果如图11所示。
[0072]
加工方法：首先利用磁控溅射技术，将第1氧化铟锡ito层溅射在第1涤纶树脂pet层的表面a面，得到溅射上具有表面结构的ito-pet电阻薄膜。
[0073]
将第2氧化铟锡ito层通过磁控溅射的方式溅射在第2涤纶树脂pet层的表面a面，得到无结构的ito-pet电阻薄膜。再通过键合方法将第1聚二甲基硅氧烷pdms层通过键合与溅射上表面结构ito层的第1涤纶树脂pet层表面a面进行连接，同时将第1涤纶树脂pet层表面b面以及第2涤纶树脂pet层的表面b面与第2聚二甲基硅氧烷pdms层a面和b面进行连接。至此，a结构单元周期形式的柔性透明超宽带rcs减缩装置加工完成，具体加工的样本实物如图12所示，并可以看出其高透光率。
[0074]
实施例2
[0075]
b结构单元周期形式的柔性透明超宽带rcs减缩装置，具体样式如图1所示，实施方法中的单元设计、仿真原理方法和加工方法与实施例1相同，不同处为排布方式，具体如下：
[0076]
b结构单元周期排布方式如下：b结构单元包括0
°
子单元周期结构和90
°
子单元周期结构。左上为90
°
子单元周期结构，右上为0
°
子单元周期结构、左下为0
°
子单元周期结构和右下90
°
子单元周期结构间隔排布，构成b结构单元，再按照左上、右上、左下和右下排布的s个b结构单元排布成b结构单元周期，述s为sk的平方，实施例中sk＝2，如图1的单元结构示意图所示。
[0077]
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。