宽频电磁吸波超材料的研究进展

吸波超材料已经成为国内外电磁隐身和防护领域的研究热点,并取得了一系列重要的研究成果.介绍了材料的吸波原理和设计方法,综述了二维频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)型和三维周期性结构两类电磁吸波超材料的研究进展,并对宽频电磁吸波超材料的相关研究进行了展望.     

阻抗型FSS在阵列天线RCS减缩中的应用

设计了一种环状阻抗型频率选择表面吸波结构,并对其单元的电磁特性进行了详细分析.在此基础上将该阻抗型频率选择表面吸波结构应用于微带阵列天线雷达散射截面的减缩中.阻抗型频率选择表面结构由周期排列的频率选择表面单元组成,每个单元均由3个阻抗环构成,阵列天线为2×2的微带贴片天线阵,并将阻抗性频率选择表面结构排列在阵列天线单元之间.仿真结果表明,该结构可在6~22GHz频段内表现出良好的吸波特性.将其加载于微带阵列天线时,对天线的辐射特性产生的影响较小,且天线的单站雷达散射截面减缩效果明显,最大减缩量可达27dB,实现了宽带、宽角域的天线雷达散射截面减缩.     

应用等效电路模型的频率选择表面有效分析

给出了一种基于等效电路模型的频率选择表面(FSS)快速分析方法。对任意形状单元的FSS结构,采用并联组合形式的LC等效电路,并通过全波模式展开分析,采用线性最小平方拟合和线性代数方法求得到其等效电路参数。对三极形单元夹嵌FSS结构实例的分析表明,文中方法与全波分析结果的一致性非常好,并便于FSS结构的最优化设计,可扩展到多层FSS结构的分析。     

曲率对柱面频率选择表面传输特性的影响

曲面频率选择表面（FSS）部件处于天线的非均匀照射下,容易造成传输特性对角度响应的不稳定。本文通过设计了一种柱面FSS结构,并利用时域有限差分法,研究了分别以圆环型、十字型和Y型单元构成柱面FSS结构下,曲率对其传射特性的影响。结果显示,随着曲率半径的减小,柱面FSS频点向低频漂移,透过率降低,其中以Y型单元的性质相对稳定。     

基于等效电路模型的高频透波频率选择吸波体设计

基于等效电路模型分析方法设计了一种高频透波频率选择吸波体,实现了吸波体通带位于其吸波带之上频段的滤波特性.频率选择吸波体的损耗层和带通层分别采用了加载集总电阻的曲折方环单元和十字缝隙单元.仿真结果表明,所设计结构的通带中心频率位于X波段内的9.34 GHz,通带中心频率处的插入损耗小于0.7 dB,-10 dB吸波带为3.0~8.3 GHz.当电磁波斜入射角度小于40°时,所设计结构均保持稳定的传输性能和反射性能.由于频率选择吸波体所采用的周期单元结构的旋转对称性,其传输和吸波性能对入射电磁波的极化方式不敏感.     

带有介质衬底的有限大FSS的一体化分析方法

在天线罩上设计频率选择表面(FSS)可以改善天线罩的透波性能,现行的分析FSS特性的方法大多基于无限大平面FSS阵列,在实际应用中会产生一定的局限性。文中提出一种面向带有介质衬底的有限大FSS阵列结构的一体化分析法——混合体面积分公式,通过体面等效准则建立混合积分公式,并分别对2种形状的FSS结构建模,运用多级快速多重运算对计算过程进行加速,得到了比较精确的分析结果。     

双频带小型化频率选择表面

为了使频率选择表面空间滤波的特性能够广泛地应用到小型通信设备,必需一种谐振单元小、双频带滤波的FSS谐振单元作为接收端的天线罩.通过提出一种结构简单、尺寸小、厚度薄、具有双工作频带的贴片式频率选择表面,对该表面所对应的等效电路工作原理进行分析,研究其结构尺寸对电磁波传输的影响.HFSS仿真结果表明:采用该单元设计出的双频带频率选择表面,在8.2 GHz和11.3 GHz的S11系数均小于-30 dB,在两通带的相对带宽均大于10％,单元尺寸结构紧凑,相对于8.2 GHz的谐振频率仅为1/5波长(6.9 mm×6.9 mm),其介质板的厚度为0.1 mm.     

排列方式对Y形单元厚屏频率选择表面传输特性的影响

厚屏频率选择表面（TFSS）是在薄屏FSS基础上,通过增加金属屏厚度,构成一种波导单元传输模式的新型FSS,使其具有更好的中心频点稳定性和工作带宽特性。本文通过设计一种Y型单元的TFSS结构,并利用矩量法,研究了单元排列方式对其传输特性的影响。结果表明：TFSS的工作带宽较薄屏FSS的工作带宽大,且随着单元排布紧密程度上升;随着单元排布紧密程度上升,透过率和带宽都呈上升趋势;电磁波正入射较斜入射的工作带宽大,透过率随着单元排布紧密程度上升,而趋于稳定;随着金属屏厚度的增加,透过率和工作带宽都呈减小趋势。     

泡沫吸波材料结构对吸波性能的影响

为了研究吸波材料结构与吸波性能的关系,以无机泡沫吸波材料作为基体,采用多层复合研究阻抗匹配特性对吸波性能的影响,当材料为"透波层/吸收层"的2层复合结构时,在2.0~18.0 GHz频段反射率均小于-10.0dB,且于12.7 GHz处出现最大衰减峰为-21.5 dB.采用角锥和锥台处理研究材料表面构造对吸波性能的影响,结果表明:表面处理可以明显提高材料吸波性能,且角锥处理优于锥台处理.5×5阵列角锥的有效吸收带宽(反射率小于-10.0 dB)为15.3 GHz,反射率在9.4 GHz处到达最小值为-43.4 dB;8×8阵列角锥的有效吸收带宽(反射率小于-10.0 dB)为18.0 GHz,平均反射率达-34.5 dB.     

一种左、右手材料结构吸波体吸波特性研究

提出了一种空气／左手介质／右手介质／金属的双层吸波体结构,引入左手材料做匹配层,利用传输线模型与计算机仿真方法考察了左手材料各个参数变化对吸波性能的影响．仿真结果表明：左手材料各个参数适当的选择对提高吸收率起着重要作用;在给定参量条件下,左手材料层厚度最佳值为1mm;随着左手材料层厚度的变化,吸波体的吸收峰值将降低且峰值对应的频率也将分别向低频或高频移动．     

磁介质吸波剂／多孔金属材料吸波性能

为了研究磁介质吸波剂／多孔金属材料吸波性能,在泡沫铝合金表面涂覆了Ni—Zn铁氧体（CFe）、羰基镍粉（CNi）以及二者的复合粉,利用GJB2038-94“雷达吸波材料反射率测试方法”中的雷达截面（ReS）法对该材料的微波反射率进行了测量．结果表明,在12～18GHz频段内,复合磁介质吸波剂／泡沫铝材料吸波性能介于单一吸波剂样品CFe与CNi之间;在26．5～40GHz频段内,羰基镍质量分数为40％的泡沫铝复合材料吸波性能最好,当其质量分数大于40％时,材料吸波性能逐渐降低．因此,在泡沫铝合金表面涂覆适当比例的Ni—Zn铁氧体与羰基镍复合粉,可以进一步改善材料的吸波性能．     

形貌对羰基铁/Fe-Si-Cr复合材料吸波性能的影响

为有效提升吸波材料的电磁吸收强度和有效吸收带宽,采用球磨法对球状Fe-Si-Cr进行扁平化处理,通过机械共混法将不同形貌Fe-Si-Cr和羰基铁粉(Carbonyl iron powder, CIP)复合,研究不同质量比对复合材料电磁参数和微波吸收性能的影响。实验结果表明,大长径比可以提高材料的介电常数和磁导率,并使反射率峰值向低频移动。片状Fe-Si-Cr和CIP的低频吸波性能优于球形粒子。实验制备的复合材料中,样品I的最大反射损耗为-45.92 dB,有效吸收带宽为1.5 GHz。样品L的最大反射损耗为-22.11 dB,有效吸收带宽大于6.2 GHz。吸波剂的形貌对材料的电磁吸收性能有显著影响。将不同形貌的CIP和Fe-Si-Cr按不同配比复合后,可以得到不同频率下性能优良的吸波体。利用阻抗匹配函数可以从理论上预测出反射损耗峰值对应的吸波剂厚度和频率。双层吸波材料相比于单层吸波材料,其有效吸收带宽更大,可以通过改变匹配层、吸收层的厚度来获得不同频率下吸波性能优良的吸波体,更易满足新型吸波材料“薄、轻、宽、强”的要求。     

激光加工参数对频率选择表面质量影响的实验研究

针对大幅面频率选择表面(frequency selective surface,FSS)加工效率低、质量不统一的问题,采用自主研制的功能表面激光加工平台,选取不同的工艺参数,进行了铝质FSS的单因素加工实验.通过显微镜观察FSS单元加工质量,并使用去除率和畸变率进行量化表征,探讨峰值功率、填充密度、延时参数与镀铝涂层加...     

有限大面积的频率选择表面与微带天线一体化

从方环缝隙型频率选择表面（FSS）出发,利用有限元法的电磁仿真计算软件（HFSS）,对微带天线与有限大面积的FSS阵列进行了一体化建模和仿真,确定了FSS结构与微带天线间的最佳距离。同时还研究分析了在不同工作频率下,FSS结构的空间位置与天线间的关系,FSS结构单元个数变化等情况下的天线增益方向图的变化。     

掺杂剂对聚苯胺/棉复合吸波材料的介电性能研究

探讨了掺杂剂对聚苯胺/棉复合吸波材料介电性能的影响。对聚苯胺/棉复合吸波材料进行了红外光谱、扫描电镜等测试,研究了其强力、吸湿速率、牢度等服用性能。结果表明:掺杂剂对聚苯胺/棉复合吸波材料的介电性能,表面电阻影响较大;聚苯胺/棉复合材料既具备良好的吸波性能,又具有良好的润湿性、强力、牢度。     

水泥基材料隐身性能改性试验与数值模拟

以水泥为基体,添加硅灰和粉煤灰、石墨和碳纤维、纳米TiO2和钢纤维为吸波剂的试样,对8～18GHz频段内的隐身性能进行了试验分析,结果表明,硅灰和粉煤灰、纳米TiO2和钢纤维与水泥复合制成的吸波材料具有良好的隐身性能,石墨和碳纤维与水泥复合制成的吸波材料的隐身性较差,掺合材对水泥基材料吸波性能的影响必须综合考虑,并不是越多越好,掺合材超过一定极限后,材料的透波能力增强,吸波性能便会下降.在设计时对试件实验数据进行计算机模拟仿真,得到水泥基复合吸波材料,材料的电导率、复介电常数、复磁导率、介质损耗角正切等是评价吸波材料的主要参数.当掺合材作为复合吸波剂应用时,两种材料的介电损耗共同发挥衰减作用,可以明显提高试件的吸波性能,而且可以拓宽频段,比单一吸波剂的添加有着明显的优势.     

反应温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数和电导率的影响

研究了温度对聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数和电导率的影响。结果表明:聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数实部和损耗角正切受温度影响较小。在30℃时,制备的聚吡咯/玻璃纤维复合吸波材料的介电常数虚部较大。     

乙炔炭黑和镁铝复合粉对无纺布吸波材料的性能影响

本文研究了乙炔炭黑含量和镁铝复合粉含量分别对无纺布吸波材料电阻值与氧指数的影响。实验结果表明：降低吸波剂中乙炔炭黑的质量有利于提高吸波材料的电阻和电磁损耗;提高无机阻燃剂中镁铝复合粉的含量有利于提高吸波材料的氧指数。     

炭黑/羰基铁粉环氧基吸波复合材料的制备及电磁性能和力学性能

针对吸波材料存在的涂层大面积脱落和结构件承重不足导致材料吸波性能和力学性能急剧下降的问题,设计开发兼具优异吸波性能和力学性能的复合吸波材料。采用炭黑(CB)和羰基铁粉(CIP)作为复合吸波剂与环氧树脂(EP)复合制备复合吸波材料。利用单因素试验分析材料电磁性能,探究各组分质量比对材料吸波性能的影响,采用响应面试验分析了材料力学性能。建立高斯方程模型和多元回归方程模型,协同设计出CB/CIP环氧基复合材料各组分最佳质量分数比：CB、CIP、EP质量分数比为1%∶45%∶54%。模拟与实际具有一致性,为吸波材料的协同设计提供了可行性方案。     

利用片上超材料构建单芯片太赫兹双频吸波器

利用65 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,设计了一种新的单芯片超材料结构太赫兹吸波器,面积约为0.60 mm×0.65 mm,包含75个吸波单元. 吸波单元图案采用CMOS工艺中顶层铜金属,厚度为3.2μm,设计为正八边形和正方形开口谐振环的组合结构;介质层由无掺杂硅玻璃、碳化硅、氮化硅等组成,厚度为9.02μm;介质层背面短线采用CMOS工艺中的第一层金属,厚度为0.2μm. 仿真结果表明,该吸波器在0.921THz、1.181THz 2个频率处达到最大吸收率,分别为 97.84%和 95.76%. 克服了采用砷化镓、薄膜工艺实现的太赫兹吸波器与CMOS工艺兼容问题,有利于在大规模集成电路中实现.