宽频微波隐身超材料结构设计及RCS缩减性能研究

作     者：韩孟杰 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵贵哲;郭新华

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：超材料 复合超表面 吸收和散射 雷达散射截面缩减 

摘      要：雷达隐身技术是武器装备生存关键,在未来信息战争中占据重要地位,受到了各国的重视。雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)是衡量隐身性能的重要指标,因而如何缩减RCS成为隐身技术中的研究重点。传统的隐身吸波材料主要是基于雷达波吸收机制实现材料的隐身性能,难以突破隐身性能的瓶颈,以至于无法满足现代化武器装备的隐身需求。超表面作为一种新型电磁超材料,具有可设计性、工作频带宽等优点,在隐身技术中广泛应用。本文从吸收和散射机理出发,分别设计了具有吸收特性、散射特性的超表面并利用传统吸波材料与超表面协同构建复合超表面,结合吸收和散射的双重机制,开展复合结构的RCS性能研究,最终实现优异的RCS缩减。本文工作和主要结果如下:(1)基于传统吸波材料,设计具有方形图案的吸收超材料。首先,通过共沉淀法和化学还原在氧化石墨烯(GO)片层上负载FeO得到了FeO@RGO。利用XRD、Raman和FT-IR表征手段,证实了FeO@RGO复合粒子的成功制备。分析FeO@RGO填充量对复合材料吸波性能的影响,选择最优的40 wt%填充量吸波复合材料作为超材料的损耗层。其次,将导电短切碳纤维(SCF)分散于环氧树脂(EP)基体中制备SCF/EP复合材料,分析了不同SCF填充量的复合材料的吸波性能和电性能,并以导电性能最优的50 wt%填充量SCF/EP复合材料作为超材料图案层。利用三维电磁仿真软件(Comouter Simulation Technology,CST)微波工作室进行仿真设计,优化两种单元之间的相位关系,确定单元结构参数,构筑方形图案棋盘式超材料。最终,所设计的棋盘式超材料在10.2～17.5 GHz频段内满足≤-8 d B的RCS缩减性能;在10.7～16.3 GHz频段内满足≤-10d B的RCS缩减性能。(2)基于广义斯涅尔定理,设计具有电阻膜的双单元散射超表面。首先,选用导电性易调控的碳膜作为材料体系,利用广义斯涅尔定理,推导出满足超表面散射条件的双单元之间的相位差为180°±37°,设计了方形和圆形两种不同图案的双单元结构。其次,分析了双单元结构排列方式组成的棋盘式超表面对RCS性能的影响。最终,获得3×3排列方式下在5.4～11.9 GHz频段内满足≤-8 d B的RCS缩减性能和在5.6～11.5 GHz频段内满足≤-10 d B的RCS缩减性能。(3)基于吸收-散射叠加的策略,设计具有传统吸波材料与超表面组合的复合超表面,并研究复合方式对RCS的影响规律。对比FeO@RGO与片状羰基铁(FCIP)作为吸收材料的性能差异,结合吸收和散射的效应,实现了低频的RCS缩减和带宽的拓展,提升了复合材料的隐身性能,为复合超表面的结构设计研究了提供指导。最终,通过仿真计算发现,吸波材料复合在超表面上方时,可在2.8～5.9和12.7～18.0 GHz频段内满足≤-8 d B的RCS缩减性能;在2.9～3.2、4.3～8.6和9.4～14.2 GHz频段内满足≤-10 d B的RCS缩减性能。