[發(fā)明專(zhuān)利]一種等離子體材料設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710942515.7
• 申請(qǐng)日: 2017-10-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107644140B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許勇剛;梁子長(zhǎng);陳方園;何鴻飛;郭良帥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海無(wú)線電設(shè)備研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06F30/27
• 代理公司: 上海信好專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 31249
• 代理人: 朱成之

一種等離子體材料設(shè)計(jì)方法，采用日光燈管作為等離子體發(fā)生器，模擬圓柱體等離子體材料，獲取圓柱體等離子體材料的電磁參數(shù)，采用圓柱體等離子體材料來(lái)構(gòu)造單層等離子體材料層，根據(jù)圓柱體等離子體材料的傳輸反射特性計(jì)算等效介電常數(shù)，繼而獲取單層等離子體材料層等效結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率和復(fù)數(shù)介電常數(shù)，采用遺傳算法對(duì)不同電子密度的單層等離子體材料層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最終的寬帶高吸收率等離子體多層分布結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提高了等離子體材料對(duì)電磁波的吸收并降低反射，能夠降低目標(biāo)的電磁散射以及背景與目標(biāo)之間電磁耦合，降低背景對(duì)目標(biāo)測(cè)試的影響，制備成本低，應(yīng)用效果好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)雜結(jié)構(gòu)吸波與屏蔽材料的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種等離子體材料設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

隨著電磁波技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)的電磁散射特性測(cè)試對(duì)于目標(biāo)的生存能力、定位判斷至關(guān)重要，目前目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(radar cross section，RCS)是反映其性能特點(diǎn)的重要指標(biāo)。隨著低散射目標(biāo)或隱身目標(biāo)的測(cè)試需求日益增加，室內(nèi)模擬測(cè)試對(duì)于目標(biāo)的電磁散射特性評(píng)估越來(lái)越受到重視。例如宇宙飛船、航天飛機(jī)、高超聲速飛行器作為一類(lèi)特殊飛行器，其在再入大氣層返回地球時(shí)，飛行速度極高，可達(dá)到音速的十幾倍到幾十倍，這使得飛行器前段形成了很強(qiáng)的激波。飛行器頭部周?chē)げǖ膲嚎s和大氣的粘滯作用使得飛行器表面達(dá)到很高的溫度，氣體和被燒蝕的防熱材料均發(fā)生電離，在飛行器周?chē)纬梢粚痈邷氐入x子體鞘層。這種等離子體鞘層和電磁波將會(huì)發(fā)生相互作用，電磁波在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生衰減，表現(xiàn)為目標(biāo)的電磁散射會(huì)降低，容易導(dǎo)致地面與飛行器之間的通信嚴(yán)重失效，雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)特性難。因此，為模擬表面等離子體對(duì)目標(biāo)電磁散射的影響，通常采用電磁仿真與實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)。如專(zhuān)利CN106604514A提供了一種排管及低溫等離子體發(fā)生設(shè)備，采用介質(zhì)阻擋放電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)等離子體的發(fā)生，排管包括導(dǎo)電介質(zhì)和絕緣介質(zhì)，提供一種低溫等離子體發(fā)生設(shè)備，然而這類(lèi)等離子體發(fā)生裝置通常用于處理廢氣材料，在目標(biāo)表面生成等離子體材料層比較難，用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試也容易帶來(lái)新的散射源。專(zhuān)利CN106686874A也公開(kāi)了一種等離子介質(zhì)阻擋放電電路，包括介質(zhì)板和高壓交流電源驅(qū)動(dòng)電路；所述介質(zhì)板的一側(cè)表面設(shè)有高電壓電極，所述介質(zhì)板的另一側(cè)表面設(shè)有接地電極；所述高電壓電極與高壓交流電源驅(qū)動(dòng)電路的高壓輸出端連接，所述接地電極與高壓交流電源驅(qū)動(dòng)電路的接地端連接；所述高壓交流電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)有控制高壓輸出的脈寬調(diào)制模塊。然而這類(lèi)等離子體主要用于表面處理裝置中，對(duì)于模擬目標(biāo)表面的吸波材料還未涉及。專(zhuān)利CN106686876A公開(kāi)了一種微波等離子體源和遠(yuǎn)程微波等離子體裝置，包括微波等離子體源，微波等離子體源裝入不同形式的真空室內(nèi)，構(gòu)成不同形式的遠(yuǎn)程微波等離子體裝置，微波等離子體源由微波腔、產(chǎn)生等離子體的介質(zhì)容器和產(chǎn)生微波的磁控管及其供電電源組成，這一類(lèi)等離子體在目標(biāo)表面模擬吸波層具有一定的可行性，但是目前應(yīng)用還比較有限。文獻(xiàn)“何湘,陳建平,倪曉武,等.雷達(dá)隱身等離子體參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,34(3):401-405.”針對(duì)等離子體對(duì)雷達(dá)波的吸收、衰減問(wèn)題，采用求解波動(dòng)方程的方法，計(jì)算了非均勻等離子體覆蓋的金屬目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的反射。選取非均勻等離子體的最大電子數(shù)密度為5×10¹⁶～10¹⁸m^-3，碰撞頻率為10^-1～10³GHz,等離子體厚度為0～0.5m。研究結(jié)果表明：提高等離子體電子數(shù)密度能夠增強(qiáng)對(duì)高頻雷達(dá)波的隱身效果，但同時(shí)需合理提高碰撞頻率以保證對(duì)低頻雷達(dá)波的隱身能力；有效增加等離子體厚度，可降低對(duì)等離子體源電子數(shù)密度的要求幾倍甚至數(shù)十倍。文獻(xiàn)“宋黎浩.等離子體對(duì)電磁波吸收及反射的研究及應(yīng)用[D].西安電子科技大學(xué),2014.”針對(duì)非均勻分布等離子體和電磁波的作用展開(kāi)研究,峰值電子密度和碰撞頻率作為非均勻分布等離子的兩個(gè)主要描述參數(shù)決定了非均勻分布等離子體對(duì)于電磁波的吸收和反射特性，研究了峰值電子密度和碰撞頻率對(duì)非磁化等離子體中電磁波的吸收和反射的影響，分析了電磁波不同角度入射時(shí)吸收和反射特性規(guī)律，提出了對(duì)吸收和反射進(jìn)行計(jì)算的方法，仿真了覆蓋導(dǎo)體平板的等離子體對(duì)電磁波的吸收和反射，得出了等離子體峰值電子密度、碰撞頻率與吸收和反射的關(guān)系。文獻(xiàn)“李毅,張偉軍,莫錦軍,等.閉式等離子體隱身技術(shù)及等離子體參數(shù)的優(yōu)化[J].微波學(xué)報(bào),2008,24(1):23-25.”提出了一種等離子體隱身技術(shù),即閉式等離子體隱身技術(shù)，從而解決了開(kāi)放式的等離子體隱身技術(shù)的諸多問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算入射到覆蓋閉式等離子體的金屬平板上的電磁波的反射率，得出了在低溫下，提高等離子體密度和溫度，有利于更好的吸收電磁波結(jié)論。最后計(jì)算了未覆蓋與覆蓋閉式等離子體導(dǎo)體圓錐的雷達(dá)散射截面，結(jié)果表明采用閉式等離子隱身技術(shù)有很好的隱身效果。文獻(xiàn)“Lin Min,Xu HaoJun,Wei XiaoLong,等.電磁波在非磁化等離子體中衰減效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].Acta Physica Sinica,2015,64(5):55201-055201.”開(kāi)展垂直入射到具有金屬襯底的非磁化等離子體中電磁波衰減特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究。利用WKB方法對(duì)電磁波衰減隨等離子體參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了理論分析。利用射頻電感耦合放電方式產(chǎn)生穩(wěn)定的大面積等離子體材料層，搭建了等離子體反射率弓形測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行了電磁波在非磁化等離子體中衰減效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。然而上述文獻(xiàn)目前還集中在分析等離子體內(nèi)部電磁波傳輸反射特性，對(duì)于如何提高和設(shè)計(jì)寬帶高吸收率等離子還未涉及。