CN106356636A - 一种透明宽带随机表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明宽带随机表面，包括多个单元结构，所述单元结构包括上层透明导电薄膜层、透明基板及下层透明导电薄膜层，所述上层透明导电薄膜层位于透明基板的上表面，所述下层透明导电薄膜层完整覆盖在透明基板的下表面；所述上层透明导电薄膜层为尺寸随机的双谐振单元结构；所述双谐振单元结构为对称结构，包括位于单元结构中心的环和位于环外围的带枝节环。本发明可实现在可见光范围内透光率≥85％，在X波段能有效地缩减目标体的RCS；工艺简便，结构一体，可见光透明，具有优异的电磁波散射性能，可在战机座舱隐身等领域发挥重要作用。

Description

一种透明宽带随机表面

技术领域

本发明涉及雷达隐身和新型人工电磁材料，尤其涉及一种微波频段的透明宽带RCS(Radar Cross Section雷达散射截面)缩减表面。

背景技术

本发明中涉及的新型人工电磁材料(Metamaterials)由一定规模的亚波长单元结构周期排列组成，通过人工设计其单元结构，可以控制材料的等效介电常数、磁导率、折射率、波阻抗等电磁参数，实现自然界存在的材料所不具有的性质。随着人们对新型人工电磁材料理论研究和应用开发的深入，它在雷达隐身领域特别是军事作战中武器和平台隐身的应用引起了众多研究人员的兴趣。

雷达隐身的方法即是采用各种手段来减小目标的RCS。传统的减小雷达散射截面的方法主要有3种，分别是：外形设计、采用雷达吸波材料(Radar Absorbing Material)、有源对消、无源对消等。RCS的缩减是一种折衷的研究，其优缺点相平衡。当目标表面被修整或重新取向以获得雷达散射截面缩减时，雷达截面在一个观察角上的减小通常伴随着在另一个观察角上的增加；使用雷达吸收材料，通过材料中能量的耗散，就可以得到雷达截面的缩减，而在其他方向上的RCS电平保持相对不变。另一方面，RAM的使用也是以增加目标重量、体积和表面维护问题为代价的，在实际应用中有诸多限制。宽带随机表面是基于随机散射理论，利用多谐振结构，通过调节单元结构的尺寸参数，将电磁波入射至金属平板时产生的反射尖峰向空间各个方向辐射，空间各个方向的反射波呈现随机分布，使得金属平板的反射峰值大幅降低，达到对其隐身的目的。

然而，目前的随机表面研究多局限于以聚酰亚胺作为介质材料，所设计的图案多采用金属贴片的方式刻蚀在介质层上，再将这种结构覆盖在金属体上，以缩减目标体的RCS。而金属贴片/聚酰亚胺/金属层结构由于无法实现对可见光透明，在战机机舱、座舱玻璃等一些特殊领无法满足要求。飞机座舱作为飞机RCS三大散射源之一，主要来源于座舱玻璃的透波性，使得机舱内部件的散射回波容易受到雷达侦测。因此为防止雷达侦测，必须加强座舱透明件的隐身性能，实质上就是减小雷达信号在该部位的反射，该问题一直以来是人们的研究热点。因此，本发明提出一种透明宽带随机表面，可防止雷达波入射机舱从而减小RCS，涉及的介质材料为透明基板(玻璃、PET等)，随机表面和电磁屏蔽层均采用透明导电薄膜层，所用原材料简单且结构一体，使用方便，可同时实现机舱玻璃透明和机舱RCS缩减的目标，突破了传统材料的多种局限。这种透明、宽带、对入射方向不敏感的随机表面，相比于传统材料不仅厚度大大降低，并且可以实现可见光范围透过率≥85％，对入射波后向RCS的大幅缩减，易于通过利用不同尺寸、不同结构的谐振单元实现金属目标体的隐身，可解决战机机舱雷达波反射问题，在隐身领域有很大的潜在应用价值。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，增强随机表面的隐身性能，本发明提供一种透明宽带随机表面。

技术方案：本发明提供的一种透明宽带随机表面，包括多个单元结构，所述单元结构包括上层透明导电薄膜层、透明基板及下层透明导电薄膜层，所述上层透明导电薄膜层位于透明基板的上表面，所述下层透明导电薄膜层完整覆盖在透明基板的下表面；所述上层透明导电薄膜层为尺寸随机的双谐振单元结构；所述双谐振单元结构为对称结构，包括位于单元结构中心的环和位于环外围的带枝节环。

优选的，所述环为正方形环，外围的带枝节环为带枝节正方形环。

优选的，正方形环的边长和带枝节的正方形环的枝节长度随机。

优选的，在一个基本单元中的正方形环的边长和带枝节的正方形环的枝节长度相等。

优选的，所述上层透明导电薄膜层及透明基板可以为一层或多层。

优选的，所述上层透明导电薄膜层与下层透明导电薄膜层为透明导电材料。

优选的，所述上层透明导电薄膜层与下层透明导电薄膜层为氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜中的一种或几种。

优选的，所述上层透明导电薄膜层通过光刻、激光蚀刻或化学腐蚀方法制成。

优选的，所述透明基板为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料中的一种或几种。

优选的，所述基本单元为正方形，令基本单元的边长为a，令透明基板的厚度为h，令双谐振单元结构的正方形环和带枝节正方形环的线宽为d，令正方形环与带枝节正方形环之间的间隙为g，取值如下：a＝10mm，h＝4mm，g＝0.5mm，d＝0.5mm。

有益效果：相比较现有技术，本发明结构一体，原材料简单且加工方便。透明宽带随机表面结构制作工序简单，只需将原材料进行一步光刻或激光蚀刻便可成型图案，加工方便且节省造价。本发明具有对可见光透明的特点。相对于金属贴片/聚酰亚胺/金属层结构的随机表面，在实际应用中，例如飞机机舱RCS散射问题中，既要求战机机舱对雷达波隐身，又要求机舱玻璃对可见光波段透明，本发明可以很好的满足需求，而金属贴片/聚酰亚胺/金属层结构则无法满足要求。本发明具有宽带特性，在8～12GHz频段内本发明可使得二维目标的后向RCS降低超过10dB。本发明同时具备便携、容易集成等优点，且易于共形，比传统的吸波隐身材料更薄、更轻。

附图说明

图1a是透明宽带随机表面的单个单元结构正视图。

图1b是透明宽带随机表面的单个单元结构侧视图。

图1c是透明宽带随机表面的单个单元结构的尺寸标注图。

图2是电磁波正入射且井字形单元取不同尺寸参数l的情况下，单元反射相位与频率的关系仿真结果。

图3是电磁波正入射且在10GHz时，井字形单元相位与尺寸参数l的关系。

图4是透明宽带人工电磁隐身表面的正面示意图。

图5为透明宽带人工电磁隐身表面正入射的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参见图1a～1c，该透明宽带随机表面包括多个单元结构，每个单元结构包括上层透明导电薄膜层1、透明基板2及下层透明导电薄膜层3，所述上层透明导电薄膜层1位于透明基板2的上表面，所述下层透明导电薄膜层3完整覆盖在透明基板2的下表面，主要用于防止电磁波透射；所述上层透明导电薄膜层1为尺寸随机的双谐振单元结构，所述双谐振单元结构为对称结构，包括位于单元中心的环和位于环外围的带枝节环，本实施例中为正方形环和位于环外围的带枝节正方形环，也可以使用其他对称结构，如圆环和位于圆环外围的带枝节圆环、正六边形环和位于正六边形外围的带枝节正六边形环等。尺寸随机是指正方形环的边长和带枝节的正方形环的枝节长度随机，以造成反射波相位的随机分布。直观地看，双谐振单元结构就是一个井字形双谐振单元结构，其特点是双谐振结构就达到了覆盖整个X波段的宽带性能。本发明的重点就是既突破了传统隐身材料的局限，又具有和传统隐身材料相比拟的RCS缩减性能，并且做到对可见光透明。

所述上层透明导电薄膜层及透明基板不仅仅只能是单层结构，可以有多层透明导电薄膜层、多层透明基板。

本实施例中，上层透明导电薄膜层与下层透明导电薄膜层为氧化铟锡，也可以使用本领域技术人员可以想到的其他透明导电材料，如氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜等。本实施例中，透明基板为普通玻璃，也可以使用本领域技术人员可以想到的其他具有优异透光性能的透明介质，如石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料等。所述上层透明导电薄膜层可以通过光刻、激光蚀刻或化学腐蚀方法制成。

本实施例所提出的上层透明导电薄膜层由尺寸随机的井字形双谐振单元结构阵构成，类似平面反射阵结构。透明宽带随机表面是基于随机散射理论的人工电磁表面。井字形谐振单元由位于中心的一个规则正方形环和位于外围的带枝节正方形环构成，是典型的双谐振结构单元，通过合理设计上层透明导电薄膜的线宽、环间缝隙大小以及透明基板的厚度，使井字形双谐振单元结构的内环和外环分别在接近的频点上产生谐振，从而实现双谐振达到拓宽单元带宽的目的。通过同时改变中心正方形环的边长和带枝节正方形环的枝节尺寸，使得电磁波在透明导电薄膜表面的反射波相位呈随机分布，形成漫反射，从而降低RCS即各个辐射单元产生的反射相位在360度一个周期呈现随机分布，将入射场很强的反射峰打散成一个随机的、杂乱无章的反射峰。

如图1c所示，令基本单元的边长为a，令透明基板的厚度为h，令双谐振单元结构的正方形环和带枝节正方形环的线宽为d，令正方形环与带枝节正方形环之间的间隙为g，本实施例的取值如下：a＝10mm，h＝4mm，g＝0.5mm，d＝0.5mm。正方形环的边长与带枝节正方形环的枝节长相等，记为l。l可以调整，使得井字单元内环、外环的谐振频率接近，以拓宽单元带宽。通过尺寸优化后基本单元的特性满足特定相位和幅度分布的所有值；所述相位和幅度分布指：在工作频带内，反射相位随频率平缓变化；不同l对应的反射相位曲线类似平行分布，确保在整个带宽内始终具有相位差。

图2为当l变化时，在8GHz到12GHz范围内，各条反射波相位的频率曲线大致平行，呈现一种梳状结构；不同l下S11相位具有相类似的频率响应，且能满足l在最大值和最小值变化时反射波相位差有近似360°的变化范围。这一特性说明了该随机表面具有良好的宽带特性。

图3所示为以图2中10GHz处的相位为基准，拟合出的在该频点的反射系数相位和贴片尺寸l的曲线关系。从图中可以看出，两者近似成单调线性关系。由于反射系数相位和贴片单元的关系呈宽带特性，所以在8GHz～12GHz的频率范围内也具有相似的关系，和10GHz相比仅有相位差而已。

图4是透明宽带人工电磁隐身表面的正面示意图。可以观察到该实施例是由16×16个基本单元组成且基本单元内的双谐振单元结构尺寸大小不一，其尺寸是由图3中的单调线性关系得到的，即在Matlab中随机生成一组0～360的相位随机数，根据图3中的函数关系将其转换为尺寸随机数，应用到贴片阵中。

图5是电磁波正入射该随机表面后下层透明导电薄膜层的RCS缩减图。结果显示，在8～12GHz，在单站情况下，覆盖了该随机表面后电磁波无法透过，透明导电薄膜层RCS下降超过10dB。该发明可取代传统机舱玻璃，雷达波入射机舱玻璃时便被漫反射，可防止雷达波入射机舱所导致的机舱RCS散射增加，减小被敌方侦测的可能。

以上描述和解释了本发明的主要特征、基本原理和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，例如技术人员可以对上述各种参数进行修改以使其工作在其他波段，或者采用多层谐振结构或多层透明介质结构以拓宽带宽，又或者修改相关参数以使其结构、性能与本实施例有所不同等，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由权利要求及其等同界定。

Claims (10)

1.一种透明宽带随机表面，其特征在于，包括多个单元结构，所述单元结构包括上层透明导电薄膜层、透明基板及下层透明导电薄膜层，所述上层透明导电薄膜层位于透明基板的上表面，所述下层透明导电薄膜层完整覆盖在透明基板的下表面；所述上层透明导电薄膜层为尺寸随机的双谐振单元结构；所述双谐振单元结构为对称结构，包括位于单元结构中心的环和位于环外围的带枝节环。

2.根据权利要求1所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述环为正方形环，外围的带枝节环为带枝节正方形环。

3.根据权利要求2所述的透明宽带随机表面，其特征在于，正方形环的边长和带枝节的正方形环的枝节长度随机。

4.根据权利要求2或3所述的透明宽带随机表面，其特征在于，在一个基本单元中的正方形环的边长和带枝节的正方形环的枝节长度相等。

5.根据权利要求1或2或3所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述上层透明导电薄膜层及透明基板可以为一层或多层。

6.根据权利要求1或2或3所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述上层透明导电薄膜层与下层透明导电薄膜层为透明导电材料。

7.根据权利要求6所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述上层透明导电薄膜层与下层透明导电薄膜层为氧化铟锡、氧化锌铝、掺氟二氧化锡、氧化锡锑、石墨烯薄膜中的一种或几种。

8.根据权利要求1或2或3所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述上层透明导电薄膜层通过光刻、激光蚀刻或化学腐蚀方法制成。

9.根据权利要求1或2或3所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述透明基板为普通玻璃、石英玻璃、有机玻璃以及PET、PEN透明柔性材料中的一种或几种。

10.根据权利要求2或3所述的透明宽带随机表面，其特征在于，所述基本单元为正方形，令基本单元的边长为a，令透明基板的厚度为h，令双谐振单元结构的正方形环和带枝节正方形环的线宽为d，令正方形环与带枝节正方形环之间的间隙为g，取值如下：a＝10mm，h＝4mm，g＝0.5mm，d＝0.5mm。