一种兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体

1.本发明涉及一种光学透明漫反射吸波体。


背景技术：

2.随雷达电子战的态势升级，关键目标或载具的雷达波低可探测性一直被着重研究。随超表面概念的兴起，人工谐振单元被引入散射场缩减结构设计与制作，并有效改善了设施与装备的隐身性能。根据实现低可探测的原理不同，超表面可以被分为超表面吸波体与超表面散射体。
3.超表面吸波体通过耗散入射波生成电阻热来实现微波低散射。超表面吸波体往往由谐振器、介质基体、和反射地板组成。借助结构的高自由度，可以针对超表面吸波体的性能如吸收带宽，总厚度，柔性等性能进行定制。
4.超表面散射体通过破坏性干涉，使得入射电磁波被均匀散射到后半部分空间，实现微波低可探测。与超表面吸波体结构类似，超表面散射体通过引入反相反射单元并进行排布，实现低散射效果与超表面吸波体类似。
5.由于吸波体与散射体的结构类似，可以通过精细设计一种结构使其同时具有微波吸收与微波散射性能，称之为漫反射吸波体。为实现更好的散射缩减应同时满足以下条件：1、两种单元需要满足宽频吸收并且两者频段一致；2、两种单元在宽频范围内的反射相位差保持在135
°
～225
°
范围内(称为反相位频段)；3两种单元的吸收频段与反射相位差反相位频段需要保持一致。
6.而现有的漫反射吸波体由于不完全满足以上条件致使性能有一定缺陷，如：
7.1、两种单元吸收频段是窄带吸收或多频窄带，并且吸收频段不一致或重合程度低，反相位频段满足宽带需求。这将会导致减反效果与常规超表面吸波体或超表面散射体类似，约为10db缩减。
8.2、两种单元吸收频段是窄带吸收，并且吸收频段一致，反相位频段满足宽带需求。这将会导致在局部窄带频段该漫反射吸波体达到极佳的减反效果，局部窄带约为20db缩减，其他工作频段约为10db缩减，带宽过窄导致失去实用性。
9.基于现有的漫反射吸波体分析，不难发现两个单元的宽带反射相位差的条件容易满足。但是在此基础上满足两种单元实现宽带吸收，并且两种单元吸收频段一致的条件很困难。这导致了漫反射吸波体难以在宽带上实现强散射场缩减效果。设计两个结构单元使其兼具宽带吸收与反相吸收特性的困难，这阻碍了两种机制的同时作用，也限制了低散射装备的进一步发展。


技术实现要素：

10.本发明要解决现有漫反射吸波体组成单元吸收带宽窄并且吸收频段重合低的问题，而提供一种兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体。
11.一种兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体，它自上而下依次由上
层图形化导电膜层、第一透明基体、第一介质层、中层图形化导电膜层、第二透明基体、第二介质层、底部低阻抗导电膜层及第三透明基体组成；
12.所述的上层图形化导电膜层由n
×
m个阻抗膜单元组成；所述的n≥5列，所述的m≥5行；所述的n
×
m个阻抗膜单元由第一吸收单元和第二吸收单元组成，且第一吸收单元和第二吸收单元在第一透明基体上的数量和位置通过最优编码序列确定；
13.第一吸收单元和第二吸收单元的边长p均为8mm～25mm，第一吸收单元和第二吸收单元的中心均设置卍字形透明导电薄膜，其他位置均未设置透明导电薄膜，所述的卍字形是由4个l形结构环形阵列连接而成，且阵列中心的l形结构端部与其相邻的l形结构侧边连接；设l形结构用于连接的臂为内臂，与内臂垂直的臂为外臂；
14.设第一吸收单元的l形结构内臂长度为l1，l形结构外臂长度为l2，l形结构内臂宽度为w1，l形结构外臂宽度为w2；l1＝0.2p～0.3p，l2＝0.2p～0.5p，w1＝0.05p～0.2p，w2＝0.05p～0.2p；
15.设第二吸收单元的l形结构内臂长度为l1，l形结构外臂长度为l2，l形结构内臂宽度为w1，l形结构外臂宽度w2；l1＝0.3p～0.5p，l2＝0.2p～0.5p，w1＝0.05p～0.2p，w2＝0.2p～0.4p；
16.所述的中层图形化导电膜层上设置有与阻抗膜单元结构相同、位置对应的中层图形化导电膜单元，且中层图形化导电膜单元上卍字形所在区域未设置透明导电薄膜，中层图形化导电膜单元其他位置设置透明导电薄膜。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明同时使用微波段吸收原理与散射原理的漫反射吸波体。使用双层互补谐振器单元结构，其宽带吸收性能受谐振器参数变化影响较小。采用该设计的单元可以稳定实现宽频微波吸收性能。进一步，通过适当改变谐振器几何参数，可以获得在宽频段上具有反相反射相位的单元，从而使得单元在在宽频带内的相位差满足135
°
到225
°
区间。提出的宽带单元的反相位频段与吸收频段保持一致，致使排布后的结构具有明显更强的散射场缩减效果。提出的结构在8.5ghz～21ghz频段内散射场缩减高于20db。同时在40
°
的倾斜角度内仍能保证良好的散射场缩减。
19.本发明用于一种兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体。
附图说明
20.图1为本发明兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体中含有一个第一吸收单元的结构示意图，1为上层图形化导电膜层，2为第一透明基体，3为中层图形化导电膜层，4为第二透明基体，5为底部低阻抗导电膜层，6为第三透明基体，7为第一介质层，8为第二介质层；
21.图2为本发明兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体中含有一个第二吸收单元的结构示意图，1为上层图形化导电膜层，2为第一透明基体，3为中层图形化导电膜层，4为第二透明基体，5为底部低阻抗导电膜层，6为第三透明基体，7为第一介质层，8为第二介质层；
22.图3为图1的俯视图；
23.图4为图2的俯视图；
24.图5为图1的侧视图，1为上层图形化导电膜层，2为第一透明基体，3为中层图形化导电膜层，4为第二透明基体，5为底部低阻抗导电膜层，6为第三透明基体，7为第一介质层，8为第二介质层；
25.图6为实施例一最优编码序列确定过程图；
26.图7为实施例一最优编码序列确定后的第一吸收单元和第二吸收单元在第一透明基体上的数量和位置示意图；
27.图8为实施例一最优编码序列确定后的漫反射吸波体示意图；
28.图9为采用周期边界计算实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体中第一吸收单元或第二吸收单元的吸收率曲线图；1为第一吸收单元，2为第二吸收单元；
29.图10为采用周期边界计算实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体中第一吸收单元或第二吸收单元的反射相位曲线图；1为第一吸收单元，2为第二吸收单元，3为相位差；
30.图11为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体的散射场缩减图，1为场叠加计算，2为全波仿真；
31.图12为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体随极化角转变的散射场缩减图；
32.图13为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体随te波入射角增大的散射场缩减图；
33.图14为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体随tm波入射角增大的散射场缩减图。
具体实施方式
34.具体实施方式一：结合图1～5具体说明，本实施方式一种兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体，它自上而下依次由上层图形化导电膜层、第一透明基体、第一介质层、中层图形化导电膜层、第二透明基体、第二介质层、底部低阻抗导电膜层及第三透明基体组成；
35.所述的上层图形化导电膜层由n
×
m个阻抗膜单元组成；所述的n≥5列，所述的m≥5行；所述的n
×
m个阻抗膜单元由第一吸收单元和第二吸收单元组成，且第一吸收单元和第二吸收单元在第一透明基体上的数量和位置通过最优编码序列确定；
36.第一吸收单元和第二吸收单元的边长p均为8mm～25mm，第一吸收单元和第二吸收单元的中心均设置卍字形透明导电薄膜，其他位置均未设置透明导电薄膜，所述的卍字形是由4个l形结构环形阵列连接而成，且阵列中心的l形结构端部与其相邻的l形结构侧边连接；设l形结构用于连接的臂为内臂，与内臂垂直的臂为外臂；
37.设第一吸收单元的l形结构内臂长度为l1，l形结构外臂长度为l2，l形结构内臂宽度为w1，l形结构外臂宽度为w2；l1＝0.2p～0.3p，l2＝0.2p～0.5p，w1＝0.05p～0.2p，w2＝0.05p～0.2p；
38.设第二吸收单元的l形结构内臂长度为l1，l形结构外臂长度为l2，l形结构内臂宽度为w1，l形结构外臂宽度w2；l1＝0.3p～0.5p，l2＝0.2p～0.5p，w1＝0.05p～0.2p，w2＝0.2p
～0.4p；
39.所述的中层图形化导电膜层上设置有与阻抗膜单元结构相同、位置对应的中层图形化导电膜单元，且中层图形化导电膜单元上卍字形所在区域未设置透明导电薄膜，中层图形化导电膜单元其他位置设置透明导电薄膜。
40.本具体实施方式中层图形化导电膜层与阻抗膜单元为双层互补结构，其单元形状及内部卍字形均完全相同，仅导电薄膜的设置位置不同。
41.本具体实施方式采用的两种反相位频段与吸收频段一致的结构单元(第一吸收单元和第二吸收单元)，两种单元都具有宽频带稳定吸收性能，在宽频带内的相位差满足135
°
到225
°
区间，并且吸收频段与反相位频段保持一致。
42.本具体实施方式具有不同反射相位的吸收单元在二维平面上以特定方式排布。
43.本具体实施方式中上层图形化导电膜层及中层图形化导电膜层是通过激光刻蚀电阻膜或者丝网印刷电阻膜得到。
44.本实施方式的有益效果是：
45.本实施方式同时使用微波段吸收原理与散射原理的漫反射吸波体。使用双层互补谐振器单元结构，其宽带吸收性能受谐振器参数变化影响较小。采用该设计的单元可以稳定实现宽频微波吸收性能。进一步，通过适当改变谐振器几何参数，可以获得在宽频段上具有反相反射相位的单元，从而使得单元在在宽频带内的相位差满足135
°
到225
°
区间。提出的宽带单元的反相位频段与吸收频段保持一致，致使排布后的结构具有明显更强的散射场缩减效果。提出的结构在8.5ghz～21ghz频段内散射场缩减高于20db。同时在40
°
的倾斜角度内仍能保证良好的散射场缩减。
46.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的第一介质层及第二介质层为空气介质层或塑料泡沫，相对介电常数均为1～1.2。其它与具体实施方式一相同。
47.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的第一介质层及第二介质层的厚度为2mm～5mm。其它与具体实施方式一或二相同。
48.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的第一透明基体、第二透明基体及第三透明基体的材质均为pet、pen或pvc。其它与具体实施方式一至三相同。
49.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的第一透明基体、第二透明基体及第三透明基体的厚度为0.1mm～0.2mm。其它与具体实施方式一至四相同。
50.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的第一透明基体、第二透明基体及第三透明基体的相对介电常数均为2～4。其它与具体实施方式一至五之一相同。
51.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的上层图形化导电膜层、中层图形化导电膜层及底部低阻抗导电膜层均为ito膜、银纳米线膜及铜网栅膜。其它与具体实施方式一至六相同。
52.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的上层图形化导电膜层与中层图形化导电膜层面电阻一致，且面电阻为100ω/
□
～150ω/
□
；所
述的底部低阻抗导电膜层的面电阻小于15ω/
□
。其它与具体实施方式一至七相同。
53.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的上层图形化导电膜层、中层图形化导电膜层及底部低阻抗导电膜层的厚度为0.01μm～100μm。其它与具体实施方式一至八相同。
54.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的第一吸收单元和第二吸收单元在8.4ghz～20ghz内有135
°
～225
°
相位差。其它与具体实施方式一至九相同。
55.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
56.实施例一：
57.一种兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体，它自上而下依次由上层图形化导电膜层、第一透明基体、第一介质层、中层图形化导电膜层、第二透明基体、第二介质层、底部低阻抗导电膜层及第三透明基体组成；
58.所述的上层图形化导电膜层由n
×
m个阻抗膜单元组成；所述的n＝21列，所述的m＝21行；所述的n
×
m个阻抗膜单元由第一吸收单元和第二吸收单元组成，且第一吸收单元和第二吸收单元在第一透明基体上的数量和位置通过最优编码序列确定；
59.第一吸收单元和第二吸收单元的边长p均为15mm，第一吸收单元和第二吸收单元的中心均设置卍字形透明导电薄膜，其他位置均未设置透明导电薄膜，所述的卍字形是由4个l形结构环形阵列连接而成，且阵列中心的l形结构端部与其相邻的l形结构侧边连接；设l形结构用于连接的臂为内臂，与内臂垂直的臂为外臂；
60.设第一吸收单元的l形结构内臂长度为l1，l形结构外臂长度为l2，l形结构内臂宽度为w1，l形结构外臂宽度为w2；l1＝4mm，l2＝4mm，w1＝1.5mm，w2＝1mm；
61.设第二吸收单元的l形结构内臂长度为l1，l形结构外臂长度为l2，l形结构内臂宽度为w1，l形结构外臂宽度w2；l1＝6mm，l2＝5mm，w1＝1.5mm，w2＝4mm；
62.所述的中层图形化导电膜层上设置有与阻抗膜单元结构相同、位置对应的中层图形化导电膜单元，且中层图形化导电膜单元上卍字形所在区域未设置透明导电薄膜，中层图形化导电膜单元其他位置设置透明导电薄膜。
63.所述的第一介质层及第二介质层为空气介质层。
64.所述的第一介质层及第二介质层的厚度为4mm。
65.所述的第一透明基体、第二透明基体及第三透明基体的材质均为透明pet。
66.所述的第一透明基体、第二透明基体及第三透明基体的厚度为0.188mm。
67.所述的第一透明基体、第二透明基体及第三透明基体的相对介电常数均为2.65。
68.所述的上层图形化导电膜层、中层图形化导电膜层及底部低阻抗导电膜层均为ito膜。
69.所述的上层图形化导电膜层与中层图形化导电膜层面电阻一致，且面电阻为110ω/
□
；所述的底部低阻抗导电膜层的面电阻为10ω/
□
。
70.所述的上层图形化导电膜层、中层图形化导电膜层及底部低阻抗导电膜层的厚度为0.01mm。
71.图6为实施例一最优编码序列确定过程图；本实施例中第一吸收单元和第二吸收单元在第一透明基体上的数量和位置通过最优编码序列确定，对21
×
21个单元矩阵排布进
行优化，为避免单元间的耦合效应，将21
×
21个单元拆分成7
×
7个区域，每个区域仅包含第一吸收单元或第二吸收单元。将一个区域包含的3
×
3个单元称为子单元，随后将7
×
7个子单元分别填充单元类型进行优化，具体是按以下步骤进行：
72.(1)采用遗传算法或其他局部搜索算法计算散射远场方向图来决定空间位置采用单元类型，从而获得单元空间排布：通过使用遗传算法优化该结构远场散射均匀性，其中漫反射吸波体散射方向图由场叠加法计算：
[0073][0074]
其中k是电磁波在真空中的波数，x
m,n
和y
m,n
分别是第m行、第n列的子阵单元在坐标系中的横纵坐标，e
ele
是子单元的散射场，e
meta
是漫反射吸波体的总散射场，θ和分别是远场方向图坐标系的高程角与方位角；
[0075]
(2)机器优化算法采用的适应度函数为相对于等尺寸金属板的散射场缩减：采用散射场缩减作为优化函数进行优化，得到最优编码序列：
[0076]
fitness＝-20
×
lg(max(e
meta
)/max(e
pec
))
ꢀꢀ
(2)
[0077]
其中e
meta
和e
pec
分别是漫反射吸波体的总散射场与等尺寸良导体的总散射场,max(e)是选取后半部分空间最强的电场幅值的函数；
[0078]
(3)采用遗传算法随机生成漫反射吸波体种群，并进行评估，基于评估结果，利用选择，交叉，突变算子生成新种群，循环直至进化代数达到上限或散射场缩减满足需求，如图7及图8所示。
[0079]
图9为采用周期边界计算实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体中第一吸收单元或第二吸收单元的吸收率曲线图；1为第一吸收单元，2为第二吸收单元；图10为采用周期边界计算实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体中第一吸收单元或第二吸收单元的反射相位曲线图；1为第一吸收单元，2为第二吸收单元，3为相位差；由图可知，第一吸收单元在7ghz～20.3ghz的宽频段下吸收率高于0.9，第二吸收单元在6ghz～21ghz的宽频段下吸收率高于0.9，并且两种单元在频段内变化区间较小，两者吸收频段近似完全重合，这保证了漫反射吸波体使用的单元都满足宽带吸收条件。同时两个反相单元在8.4ghz～20ghz宽频平滑变化并且具有大反射相位差(145
°
～215
°
)，使得在宽带的远场散射调控更加容易。最重要的是，吸收波段与大相位差的波段一致保证了两种原理的同时应用，将有效改善散射缩减效果。
[0080]
图11为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体的散射场缩减图，1为场叠加计算，2为全波仿真；由图可知，最终获得的单元排布展现出宽带的强散射场缩减效果，在8.5ghz～21ghz频段内相较于良导体的散射场缩减高于20db。同时相较于全波仿真的精确解，场叠加计算获得的结果与其偏差较小。同时场叠加计算用时极短，约为全波仿真的千分之一，极短的计算时间有利于大种群宽频带散射场缩减优化。
[0081]
图12为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体随极化角转变的散射场缩减图；图13为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体随te波入射角增大的散射场缩减图；图14为实施例一兼具超宽带微波吸收与散射的光学透明漫反射吸波体随tm波入射角增大的散射场缩减图。由图可知，随入射波极化角转变，散射场缩减几乎没有改变，展现出良好的极化稳定性。在20度入射角范围内，该结构在工作频
段的散射场减缩高于20db，同时当入射角逐渐增加到40度时，散射场缩减在工作频段依然可以维持在10db以上，表明了散射场缩减良好的角度稳定性。由此可证明，该结构具备良好的极化稳定性与角度稳定性。