基于超材料的新型吸波材料及其天线隐身应用进展

2014-04-18 来源:化工新型材料作者:占生宝,刘涛,严红丽,丁健 我要评论(0) 字号:

吸波材料是能有效吸收入射电磁波、降低目标回波强度的一类功能材料。传统的吸波材料大多是基于Salisbury吸收屏原理设计,其典型不足是体积过大。随着通信、隐身等领域对吸波材料性能要求越来越高,传统吸波材料已不能满足民用、尤其是军事应用需求。因此,研制更薄、更轻、频带更宽的新型吸波材料已成为当前的紧迫课题。

超材料(Metamaterial,MTM)是近年来电磁领域的研究热点之一,其特点是具有亚波长的周期性单元结构。该单元结构如同传统材料的原子和分子,通过空间组合,可表现出新的电磁特性和功能。超材料的研究经历了电磁带隙结构(Eleetromagnetie Band Gap,EBG)、左手材料(Left Hand Material,LHM)和基于光学变换的异向介质等发展历程,其特性几乎涵盖电磁领域。研究表明,利用超材料的奇异电磁特性,不仅可改善天线和微波器件性能,研制新型设备,还可为新型吸波材料的研制提供新的技术手段。

综述基于超材料的新型吸波材料及其在天线隐身应用方面的研究进展,对比分析各种吸波材料的特点,展望其在天线隐身领域的应用前景。

1、基于MTM的新型吸波材料

依据MTM的电磁特性,基于MTM的吸波材料,(Metamaterial Absorber,MA)可分为两类:利用同相反射特性的吸波材料和利用媒质参数可调的吸波材料。

1.1、同相反射特性吸波材料

同相反射特性吸波材料依据其同相反射特性角的不同,可分为吸波型吸波材料和干涉型吸波材料两类。

1)、吸波型吸波材料。该吸波材料包括两部分:具有同相反射特性的MTM结构层和损耗层。损耗层材料可以是传统电损耗材料,也可以直接将集总电阻加载在贴片之间作为损耗层,选择适当的电阻值可以在一定频段内较好地吸收入射电磁波。这种结构的设计依然是基于Salisbury屏原理,但由于MTM同相反射特性,不存在0.25 λ波长厚度限制,可以实现超薄特性。

2000年,N.Engheta等首次提出利用MTM同相反射特性实现超薄吸波材料的构想。基于该构想.2005年,S.Simms等利用mushroom-like EBG结构实现了超薄吸波结构,该结构将耗损层放置在离高阻表面很近的地方,从而实现一定频带内的吸波作用。以此设计为基础,Gao等进一步提出外加集总电阻构成吸波结构的方案,并给出反射系数和相位测试参数,如图1,2所示。与Simms等提出的吸波结构相比,Gao等人提出的吸波材料更薄、且结构更为紧凑。

2)、干涉型吸波材料。该吸波材料按电磁波相干涉原理设计。对于传统干涉型吸波材料,当电磁波垂直入射到吸波材料表面时,一部分被反射出去,该反射波称为第一反射波,其余透入材料,在自由空间与材料间界面以及材料与金属界面之间来回反射。当电磁波每次返回自由空间与材料界面时,都有一部分穿出此界面返回自由空间,这部分波叠加后形成第二反射波。若两种反射波处于同一偏振面且相位相差180。则发生干涉,导致总的反射波能量急剧衰减。该吸波材料的缺点是结构较厚,吸收频带较窄。

2007年,Maurice Paquay等利用高阻EBG结构的同相反射特性,设计了一种新型干涉型吸波材料,如图3所示。该吸波材料利用具有完美磁导体(PMC)特性的高阻EBG结构与完美良导体(PEC)结构组成棋盘结构。二者反射相位相差l80。其反射波相互干涉,使来波方向能量衰减,同时将后向散射能量转移到其它角度,如图4所示。鼻锥方向目标RCS可降低20 dB以上,-10 dB吸收带宽为6.45 %,结构厚为0.062 5 λ。针对该设计材料带宽较窄问题,2009年Zhang等分别提出了利用两种具有不同反射相位特征的高阻EBG结构组成棋盘结构的改进方案。通过改进,该型吸波材料的-10 dB吸收带宽分别达到58.5%和32 %,结构厚度降至0.042λ。

1.2、媒质参数可调吸波材料

基于MTM媒质参数可调吸波材料的设计原理为:通过优化MTM结构模型和调控MTM结构单元的电、磁谐振,使ε(w)=μ(w),从而实现吸波材料和自由空间的阻抗匹配。按此设计原理,媒质参数可调吸波材料的电、磁参数在谐振区域具有较大虚部,可确保电磁波达到100 %的吸收率,故这种吸波材料被称为“完美吸波材料(Peffect Metamaterial Absorber,PMA)”。

PMA于2008年由Landy等首先提出,其单元结构和吸收率,如图5,6所示。通过优化单元结构,Landy等实现了单层结构厚度仅为0.007λ、反射率为0.01%、透射率为0.9 %、吸收率高达99 %、半高峰宽(FWHM,吸收率在50 %以上的带宽)只有4 %的PMA。进一步研究还表明:按上述原理设计的PMA,其吸收率随单元层数呈指数增加,且损耗主要来自材料的介质。PMA的研制成功,使其成为研究热点。随着研究的深入,新型吸波结构单元不断被提出,材料的电磁特性也得到明显改进:如宽角度吸波和极化的稳定性进一步增强、吸波频带和扩展吸波带宽进一步增加等,研究范围也从微波、毫米波、太赫兹,一直延伸到红外和近可见光等区域。

相比传统吸波材料和文献研究的吸波材料,PMA在吸波性能和结构上具有如下优点:

1)、单元吸波的独立性。依据PMA的设计思想,PMA每个单元的电磁谐振都独立发生,单元之间的吸收相互独立,大部分能量集中于每个单元内部,单元之间的电磁场很小,吸波率对周期性的要求不高,而文献依据的同相反射特性一般要求3个周期单元以上才能呈现出良好的电磁特性。该特点对PMA在天线系统的有限空间加载吸波材料非常有利。

2)、超薄超轻,易于集成。PMA厚度一般小于几十分之一波长,质量很轻。由于是无源结构,嵌入天线阵列可实现一体化设计,不增加天线的质量和复杂度。

3)、成本低,加工维护简单。采用一般的介质材料板用电路蚀刻技术就可加工实现,成本低、维护方便,而且加工过程很容易在其他介质上重复实现,包括软介质,如Poiymide介质,可使结构具有机械灵活性和柔韧性,易于共形。

2、MA在天线隐身中的应用

吸波材料最重要的应用是目标隐身。目前,通过外形隐身和材料隐身技术,飞行器结构的散射已得到有效减小,如此情况下,天线就成为其雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)平台上贡献最大的散射源之一。解决天线隐身的方法包括带外隐身和带内隐身两种,对于带外隐身,频率选择表面(Frequency Se- lective Surface,FSS)雷达天线罩能很好地解决问题。据《AVIONICS MAC》报道,美国新一代F-22战机已经采用带通式FSS雷达天线罩。但对天线带内隐身,FSS不是一种有效方法,依据现有研究成果,MA为解决这一问题提供了新的技术手段。

文献将基于同相反射特性的MA应用于4x10非均匀脊波导缝隙阵中,在工作频率上RCS的E面峰值下降了8.1 dBsm,H面RCS峰值下降了6.3 dBsm。文献利用同类型MA结构进一步分析了其在微带天线和螺旋天线阵RCS减缩中的应用,在保持天线辐射性能的基础上同样获得良好的RCS减缩效果。文献利用文献提出的干涉型吸波材料设计思想,设计了一种“环结构”的吸波结构,并将其应用于波导缝隙天线,实现天线带内RCS最大20 dB的减缩.增益增加1.7 dB,旁瓣则降低4 dB。

对基于MTM媒质参数可调的PMA,虽然已表现出良好的吸波性能和结构优势,但目前已有的文献仅仅分析了其吸波特性,还没有研究其在天线RCS减缩中的应用,说明PMA在天线隐身方面的应用还没有引起足够重视。

3、总结与展望

新型超材料的出现为设计新型微波器件、设备提供了新的技术手段,利用其同相反射特性和媒质参数可调的特点,众多轻薄、吸收率较高的吸波材料正脱颖而出,尤其是基于媒质参数可调的完美吸波材料,由于其自身的优势,必将在隐身领域具有广阔的应用前景=但此类吸波材料目前仍处于探索阶段,由于研制技术不够成熟,距实际应用还有一定距离。

基于现有研究进展,MA及其在天线隐身中的应用研究,下一步将会集中在以下3个方面:1)、宽带MA的研制。采用何种有效方法实现宽带吸波,将是吸波材料研制的重要问题之一。2)、MA与天线的一体化设计。研究如何加载MA,使天线既能保持良好的辐射性能,又能实现RCS减缩,将是一体化设计的关键问题。3)结合已成熟的FSS雷达天线罩带外隐身技术,研究如何实现天线全频域RCS减缩,将是实现飞行器彻底隐身的根本问题。毫无疑问,上述3个方面研究前景诱人。

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