基于超材料的隐身技术研究

论文摘要

超材料,作为一种由亚波长单元结构经周期或非周期排布构成的人工复合结构或复合材料,具有自然界中材料所不具备的超常物理特性,可以实现对声场、电磁场、应力场等物理场的自由调控。作为一种有效的电磁波调控手段,超材料在隐身技术以及多物理场调控技术的应用,受到研究人员的广泛关注。本文重点开展以上两个方面的研究。主要研究内容和贡献如下:1)基于透明半导体材料氧化铟锌（indium tin oxide,ITO）材料设计并制备了一种具有可见光透明微波吸收功能的超材料吸波器,通过适当调整结构的谐振位置,实现了吸收带宽的扩展。整体结构的实际透光率为77%。为了满足透明隐身材料共形设计的需求,进一步设计并制备了一种宽带透明柔性毫米波超材料吸波器,通过调整超结构单元在斜入射下的反射响应,可以实现入射角从0°变化至60°的过程中,针对Ku波段的入射波维持稳定且出色的吸收,有效抑制了金属柱体的后向散射。为优化超材料的吸收性能,提出了一种基于Matlab-CST联合优化设计方法和遗传算法（genetic algorithm,GA）的宽带吸收型透明“二维码”超材料设计方法。除了吸收型超材料以外,还设计了一种宽带低后向散射的透明隐身超材料。类比于光学粗糙面,所设计散射型透明隐身材料可将后向散射分散到空间各个方向上去,实现了7-14GHz内后向RCS缩减10dB以上。2)为了解决红外隐身与雷达隐身无法兼容的难题,提出了一种有耗方贴片阵列,通过提高贴片的覆盖率且优化其阻抗匹配特性,同时实现低红外发射率和宽带雷达波吸收特性,具有厚度薄、质量轻等特点。基于漫散射的思想,还设计并制备了一种红外/雷达兼容身超材料,通过引入两个具有等幅反相的低红外发射率编码单元,优化其排列方式,实现了雷达波的漫反射和红外波的低发射。实验结果显示,所加工样品的红外发射率低于0.2,10dB RCS缩减带宽覆盖8-18GHz。3)将典型薄膜隔声超材料与数字超材料相结合,提出了一种兼具隔声与低后向电磁散射特性的多物理场超材料。通过在PET薄膜表面镀ITO导电薄膜的方式,在不影响整体结构隔声性能的前提下,将ITO薄膜刻蚀出所需超结构单元,从而将隔声与电磁散射调控功能融合于同一结构中,在1100-1370Hz内实现优异的隔声性能,X波段后向RCS缩减10dB以上。进一步将薄膜隔声超材料与各向异性电磁超材料相结合,提出了一种兼具隔声与各向异性电磁调控功能的多物理场超材料,实现对不同极化分量的各向异性调控。4)针对典型薄膜隔声超材料无法实现声波和电磁波独立调控的缺点,提出一种新型的多物理场控制超材料。通过设计对声波和电磁波同时具有相位响应的四种基本单元,并进行合理的单元组合和排布,实现了对两种波的独立调控,实验结果与仿真结果吻合良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 研究背景及意义
•   1.3 研究现状
•     1.3.1 透明隐身超材料研究现状
•     1.3.2 红外/雷达兼容隐身超材料研究现状
•     1.3.3 基于超材料的多物理场控制研究现状
•   1.4 论文的研究工作
• 第二章 基于超材料的光学透明隐身材料的设计、制备与性能研究
•   2.1 引言
•   2.2 基于超材料的光学透明宽带吸波器的设计
•     2.2.1 单元设计
•     2.2.2 实验验证
•     2.2.3 小结
•   2.3 基于超材料的柔性光学透明毫米波吸波器的设计
•     2.3.1 单元设计
•     2.3.2 实验验证
•     2.3.3 小结
•   2.4 基于超材料的光学透明隐身材料的设计新方法研究
•     2.4.1 散射型光学透明隐身超材料
•     2.4.2 基于遗传算法的吸收型“二维码”隐身材料设计
•     2.4.3 小结
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于超材料的红外/雷达兼容隐身材料的设计、制备与性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 基于超材料的吸收型红外/雷达兼容隐身材料的设计
•     3.2.1 单元设计
•     3.2.2 实验验证
•     3.2.3 多物理场热效应分析
•     3.2.4 小结
•   3.3 基于超材料的散射型红外/雷达兼容隐身材料的设计
•     3.3.1 单元设计
•     3.3.2 实验验证
•     3.3.3 多物理热效应分析
•     3.3.4 雷达隐身性能扩展
•     3.3.5 小结
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于超材料的声、电磁多物理场控制研究
•   4.1 引言
•   4.2 基于超材料的隔声及电磁散射调控研究
•     4.2.1 单元设计
•     4.2.2 实验验证
•     4.2.3 小结
•   4.3 基于超材料的隔声及各向异性电磁场调控研究
•     4.3.1 电磁各向异性单元设计
•     4.3.2 实验验证
•     4.3.3 小结
•   4.4 基于超材料的声、电磁场独立调控研究
•     4.4.1 单元设计
•     4.4.2 双功能仿真验证
•     4.4.3 实验验证
•     4.4.4 小结
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张琤

导师: 程强

关键词: 超材料,可见光透明,红外,雷达兼容,隐身,多物理场控制

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 东南大学

分类号: TB34;O441.4

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.004054

总页数: 123

文件大小: 33204k

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