涂覆多针状晶须吸收剂的蜂窝吸波结构等效电磁参数计算方法研究

Comparing with experimental method and full-wave analysis, the efficiency of honeycomb absorbing structure design can be greatly enhanced by using the effective electromagnetic parameters. However, due to the complexity of honeycomb unit structure, effective electromagnetic parameters of absorbent and many other factors, the accuracy of existing calculation methods is still difficult to meet the need of application. Consequently, combining with the research status and development trend of radar wave absorbent, this project focuses on the calculation method of effective electromagnetic parameters of honeycomb absorbing structure coated with multi-needle whisker absorbent. Therefore, the aims of this project are as follows. ①This project presents a novel “equivalent particle + strong fluctuation theory” method to calculate the effective electromagnetic parameters of multi-needle whisker absorbent. By considering the special characteristics of a single multi-needle whisker and the complex effect of conductive network which is composed of many whiskers, the obtained closed-form expression can improve the calculation accuracy of effective electromagnetic parameters of multi-needle whisker absorbent. ②This project proposes a novel “low-frequency initial value + dispersion characteristics” method to calculate the effective electromagnetic parameters of honeycomb absorbing structure. This method enhances the calculation accuracy of effective electromagnetic parameters by extending the traditional closed-form expressions into a new expression which consists of both initial value part and dispersion characteristics part. ③The honeycomb absorbing structure coated with multi-needle whisker absorbent is optimized based on the proposed calculation method. This project can provide more efficient and accurate method for theoretical analysis and optimization design of practical engineering.

相比于实物测试和全波分析，使用等效电磁参数可以大大提高蜂窝吸波结构优化设计的效率。然而，由于蜂窝吸波结构的等效电磁参数受到单元结构、吸收剂电磁参数等诸多因素的影响，现有计算方法的精度仍难以满足实际应用的需要。为此，本项目结合雷达波吸收剂的研究现状和发展趋势，研究涂覆多针状晶须吸收剂的蜂窝吸波结构等效电磁参数计算方法。拟：①提出“等效粒子+强扰动理论”的多针状晶须吸收剂等效电磁参数计算方法，该方法同时考虑了多针状晶须的个体粒子和群体网络的影响，因而所得到的闭式表达式具有更高的计算精度；②提出“低频初值+色散特性”的蜂窝吸波结构等效电磁计算方法，该方法通过将以低频初值为主的传统闭式表达式扩展为低频初值和色散特性两部分来提高等效电磁参数的计算精度；③基于所提出的等效电磁参数计算方法对涂覆多针状晶须吸收剂的蜂窝吸波结构进行优化设计。研究成果将进一步为实际工程提供更为高效精确的理论分析和设计方法。

相比于实物测试和全波分析，使用等效电磁参数可以大大提高蜂窝吸波结构优化设计的效率。然而，由于蜂窝吸波结构的等效电磁参数受到单元结构、吸收剂电磁参数等诸多因素的影响，现有计算方法的精度仍难以满足实际应用的需要。为此，本文结合雷达波吸收剂的研究现状和发展趋势，研究涂覆多针状晶须吸收剂的蜂窝吸波结构等效电磁参数计算方法。.本文的主要工作归纳如下：①提出了一种新的不需要先验测量知识的理论预测方法来计算四针状氧化锌晶须吸波材料的反射率。在这种方法中，四针状氧化锌晶须吸波材料的吸波能力被分为三个主要的方面，包括：非结构型的背景，导电网络以及纳米结构型粒子。然后，分别采用三种不同的方法来计算这三种吸波机理的微波衰减特性：对于非结构型背景，采用等效球形粒子和静态强扰动理论；对于导电网络，采用由复阻抗谱技术得到的等效电路模型；对于纳米结构型粒子，采用包含四种微观电磁响应的模型。接下来，通过将这三种机理整合入现有的理论衰减模型之中即可得到最终的计算模型。通过对于四针状氧化锌晶须\二氧化硅复合材料吸波特性的理论计算结果和实验测量结果进行对比，验证了所提出计算模型的正确性。进而，我们对这三种吸波机理各自的作用进行了更进一步的分析，结果显示，一方面，背景部分是决定四针状氧化锌晶须吸波材料等效介电常数实部的关键因素，而网络和粒子则是其微波衰减性能的主要来源；另一方面，导电网络的衰减特性可以由一个具有合适谐振特性的零相位阻抗，即纯电阻，来表示，但这一具有写真特性的零相位阻抗很难用传统的电阻-电容网络来模拟。因此，我们引入了一个具有低品质因数的并联谐振电路来近似描述由导电网络引起的损耗。最后，我们分析了这三种吸波机理的不同组合来进一步展示他们在总的微波衰减特性中的作用。②提出了“初值+色散特性”的蜂窝吸波结构等效电磁参数计算方法。该方法一方面依据等效电磁参数在宽频带内的线性增加特性，通过使用具有线性性质的单项式色散特性函数来替代原有的多项式色散特性函数，在保证计算精度的条件下，大大减少了色散特性函数中未知待定系数的数目；另一方面，通过对已有实验数据的拟合试验，揭示了待定系数随着蜂窝吸波结构涂覆厚度变化所具有的线性变化趋势，这就为该方法的进一步应用奠定了更为坚实的基础。