一种基于交叉领结形AMC的宽带缩减RCS复合材料

摘要

本申请提出了一种基于交叉领结形AMC的宽带缩减RCS复合材料，其特征在于，所述复合材料为三层结构，从上至下依次为AMC贴片阵列、介质衬底和金属地板，其中所述AMC贴片阵列为两种交叉领结形AMC贴片分别组成的阵列，所述两种交叉领结形AMC贴片的形状均为：中央是正方形，正方形的四个边分别连接四个梯形，连接正方形的是梯形短底边，四个梯形的长底边依次连接矩形，每个贴片是一个完整的一体结构。该复合材料宽带性能优良，在16.2-27.2GHz的频率范围内相对同尺寸金属板有-10dB以上的RCS缩减，覆盖整个K波段；厚度小，易共形，适合制造超轻、超薄的吸波体或雷达吸波材料；结构、用料简单，加工制造难度小。

说明书

技术领域

本申请涉及隐身技术领域，尤其是涉及一种复合材料。

背景技术

隐身技术，是现代军事上隐蔽自己以免敌人发现，借以增强突击能力或保护自身的重要 手段。武器或飞行体的隐身性能，主要决定于它们的雷达波散射截面(Radar Cross Section， 简称为RCS)的大小。降低目标的RCS值才能更不容易被敌人发现。常见的缩减RCS的方 法是外形设计和雷达吸波材料。外形设计是通过合理设计目标外形，使能量反射偏离来波方 向，也就是将前向的大回波移到侧向。但是外形设计受结构、尺寸等的限制，有一定的瓶颈。 雷达吸波材料(Radar Absorbing Material，简称为RAM)一般有两种，一种是吸收型，一种 是干涉型。吸收型材料是将电磁能转换为热能或其他形式的能量耗散掉，但是其存在空气动 力学性能差，厚度大，易脱落等缺点。干涉型材料是基于反射波的干涉相消原理，在特定厚 度下，两次反射波之间因为反相而干涉减弱。本申请的内容就是一种干涉型雷达吸波材料。

随着隐身技术的发展，低RCS隐身材料受到了越来越多的关注。

超材料是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，是一种具有天然材料所不具备 的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。迄今发展出的“超材料”包括：左手材料、光 子晶体、超磁性材料等。其中，光子晶体是在光波波段发明出来的，之后引入微波波段，出 现了电磁带隙结构(Electromagnetic Band-Gap，简称为EBG)，这种材料可以使某一频率 范围内的电磁波不能在此周期性结构中传播。电磁带隙结构的出现为研制更薄、更轻、频带 更宽的隐身材料提供了新的技术手段。

人工磁导体(Artificial Magnetic Conductors，简称为AMC)是一种典型的电磁带隙结 构，对垂直于其表面入射的某一频率下的平面电磁波具有同相位反射的效果，也就是说在其 表面上，反射波的相位等于入射波,因为这种零反射相位特性类似于理想磁导体，所以将其 命名为人工磁导体。近年来，人们对AMC在缩减目标RCS方面的应用做了大量的研究。 基于AMC和理想电导体(Perfect Electrical Conductors，简称为PEC)的平面棋盘结构，可 以在窄带实现RCS缩减，相比于传统的Salisbury反射屏，省去了四分之一波长的厚度间隔， 具有低剖面，易共形的优点。

然而，这种吸波材料的工作频带较窄，不能支持宽频带工作的缺陷大大降低了它的实用 价值。

发明内容

为了获得更宽的吸波频带，本申请提出了一种基于交叉领结形AMC单元的复合材料， 采用两种AMC阵列构成，这种设计克服了AMC作为谐振结构的窄带特点，利用有效相位 差概念大大提高了工作带宽。

本申请提出了一种基于交叉领结形AMC的宽带缩减RCS复合材料，其特征在于，该材料 为三层结构，从上至下依次为AMC贴片阵列、介质衬底和金属地板，其中所述AMC贴片 阵列为两种交叉领结形AMC贴片分别组成的阵列，所述两种交叉领结形AMC贴片的形状 为：中央是正方形，正方形的四个边分别连接四个梯形，连接正方形的是梯形短底边，四个 梯形的长底边依次连接矩形，每个贴片是一个完整的一体结构。

进一步，其中第一种交叉领结形AMC贴片AMC1，中间正方形边长0.22mm，梯形短 底边0.22mm，长底边1.06mm，梯形的高0.76mm，周期4mm；第二种交叉领结形AMC贴 片AMC2，中间正方形边长0.12mm，梯形短底边0.12mm，长底边0.57mm，梯形的高 0.405mm，周期4mm。

进一步，所述AMC贴片阵列为棋盘形式，并由多个棋盘单元向四个方向无限延拓而形 成，所述棋盘单元由AMC1块和AMC2块以2×2的数目交叉排列组成，所述AMC1块由 AMC1单元以6×6的数目组成，所述AMC2块由AMC2单元以6×6的数目组成。

进一步，所述贴片的材料是金属。

进一步，所述介质衬底采用ROGERS 3010介质材料，且介质材料厚度为1.05mm。

本申请所提出的交叉领结形AMC复合材料，(1)其宽带性能优良，在16.2-27.2GHz 的频率范围内相对同尺寸金属板有-10dB以上的RCS缩减，覆盖整个K波段；(2)厚度小， 易共形，适合制造超轻、超薄的吸波材料；(3)结构、用料简单，加工制造难度小。

附图说明

图1第一种交叉领结形AMC1贴片的形状和在宽带缩减目标RCS复合材料中使用的尺寸；

图2第二种交叉领结形AMC2贴片的形状和在宽带缩减目标RCS复合材料中使用的尺寸；

图3本申请提出的宽带缩减目标RCS复合材料的俯视图；

图4本申请提出的宽带缩减目标RCS复合材料的侧视图；

图5复合材料的归一化单站RCS曲线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

由于领结天线相对于其他贴片天线具有良好的宽带特性，特性阻抗可以在较宽的频段内 保持，所以交叉领结形贴片作为AMC单元具有宽带特性，同时两种有着相反相位的反射波 会发生干涉相消的现象，从而使后向的能量降低，相位差越接近180°，后向能量就越低。 根据阵列天线理论，两种AMC阵列的相位差频带和这种复合材料的RCS缩减频带有着对 应的关系，以同尺寸金属板为比较对象，若选取-10dB为缩减目标，则两种AMC阵列的反 射相位差范围是180°±37°。简单起见，通常取180°±30°，对应的频率称为有效相位差 频段。

图1和图2分别示出了交叉领结形AMC1和AMC2贴片的形状。交叉领结形贴片的中央是 正方形，正方形的四个边分别连接四个梯形，连接正方形的是梯形短底边，四个梯形的长底 边依次连接矩形，贴片是一个完整的一体结构，上述分离的描述只是为了说明这个贴片的形 状。在使用中，将两种AMC复合成棋盘结构。在图1和图2还分别示出了交叉领结形AMC1 和AMC2贴片在设计的宽带缩减RCS复合材料中所使用的尺寸，具体就是AMC1的中间正 方形边长0.22mm，梯形短底边0.22mm，长底边1.06mm，梯形的高0.76mm，周期是4mm； AMC2的中间正方形边长0.12mm，梯形短底边0.12mm，长底边0.57mm，梯形的高0.405mm， 周期是4mm。在复合材料中这种贴片的材料是金属。

图3中给出了本申请提出的宽带缩减RCS复合材料的俯视图。其中，由图(a)可以看 出，AMC贴片阵列1为棋盘形式，并由多个棋盘单元2向四个方向无限延拓而形成；由图 (b)可以看出，每个棋盘单元2由AMC1块3和AMC2块4以2×2的数目交叉排列组成， 每种AMC单元以6×6的数目组成AMC块(比如6×6的AMC1单元组成AMC1块3)。 需要指出的是，这种吸波材料在设计阶段为无限大周期结构，制作时可以根据成本选择尽量 多的棋盘单元做成实物，工作性能不会比无限大结构有明显的降低。

图4是本申请提出的宽带缩减RCS复合材料的侧视图。复合材料为三层结构，从上至 下依次为AMC贴片阵列、介质衬底和金属地板。在一具体实施方式中，最下层是金属地板， 中间层是ROGERS 3010介质衬底，介质衬底厚度为1.05mm，最上层是AMC贴片阵列。

图5是宽带缩减RCS复合材料的单站RCS仿真曲线，和同尺寸的金属板进行了归一化 处理。仿真工具为ANSYS HFSS，仿真结果表明：采用交叉领结形贴片作为复合材料的基 本单元，-10dB单站RCS缩减频带为16.2-27.2GH，带宽达到50.7％，最大缩减幅度-36dB， 宽带性能良好，有很好的实用价值。