复杂极薄超表面波结构的增材制造及其可调隐形性能研究

Meta-surface waves structures that can manipulate electromagnetic phase, Polarization and Propagation mode have a wide application future in military cloaking and Camouflaging, communication, defense security. The diversity and complexity of the structure, material and macroscopic geometry in meta-surface cloaking device with complex curved ultrathin structure has made the manufacturing a great technological challenge. How to achieve tunable cloaking property has become a bottleneck to its further development. The project focused on the controllable fabrication method of complex ultrathin meta-surface cloaking structure manipulated liquid metal in microwave region based on additive manufacturing of stereolithography. The precise control of meta-surface electromagnetic waves can be achieved by studying the influence of unit structural dimension, orientation and material property on the electromagnetic performance of meta-surface structure, clarifying the method of the real-time controlling the cloaking performance by the applied electric field and temperature control, and studying the influence of fabrication process and accuracy on the cloaking performance. The project also explores the structure and function of integrated manufacturing method of microwave complex curved ultrathin meta-surface cloaking device. The project will finally promote the application of meta-surface waves cloaking device in microwave region by the study of new function of meta-surface structures by taking full advantage of additive manufacturing on the fabricating arbitrary complex structures.

超表面波结构因具有精确操控电磁波的相位、极化方式、传播模式的特性而在军事隐形及伪装、通讯、国防安全等方面有着广泛的应用前景。复杂曲面极薄超表面波结构隐形器件在单元结构/材料/外形上的多样性和复杂性，使得其制造成为一项巨大的挑战。如何实现其可调隐形性能更是阻碍其快速向应用方向发展的瓶颈。本项目以光固化增材制造技术为基础，在微波频段开展基于液态金属调控的复杂极薄超表面波隐形结构的可控制造方法研究；认识微观谐振单元结构参数、排列方向及材料性能对超表面波结构电磁性能的作用规律，阐明外加电场或温度控制实时调控超表面波结构隐形性能的方法，研究制造工艺及精度对超表面波结构隐形性能的影响，实现对超表面电磁波的任意控制；探索面向微波频段复杂曲面极薄超表面波结构隐形器件的结构与功能一体化设计制造方法，充分发挥增材制造在任意复杂结构制造方面的优势，探索超表面波结构的新性能，推动超表面波隐形器件在微波领域的应用。

本项目以光固化成形技术为基础，在微波频段开展了复杂结构超表面隐身斗篷的研究工作。取得了以下研究结果：1）打破了超表面为二维平面的认知，推导了适用于三维复杂超表面结构的相位分布规律方程，建立了依据功能需求的超表面微宏观结构与隐身性能一体化的设计方法；2）巧妙结合光固化成形低成本、高精度、材料介电损耗小的优势和液态金属导电性好、流动性强的特点，提出了适用于任意复杂结构金属单元与非金属介质基底一体化成形的超表面制造工艺；研究了精度控制与电磁性能的关系，通过精度补偿可使关键单元尺寸误差控制在0.08%左右，建立了光固化工艺与电磁性能一体化的超表面隐身斗篷制造方法；成功制备了高性能弓形超表面隐身斗篷，其厚度仅为1/17波长，与变换光学原理设计的超材料隐身斗篷相比，体积减少80%以上；最大雷达散射截面RCS缩减为未覆盖隐身斗篷前的1%；3dB缩减带宽在TE极化下约为37%，TM极化下约为43%，相比于现有的三角形超表面隐身斗篷有着巨大的优势；3）基于外加电场调控液态金属微单元结构实现了3-10.7GHz范围内宽频可调吸波隐身性能，可调频相对带宽达到112％。研究了一种由PLA单元空腔和具有优异电磁特性的蒸馏水复合组成的大角度宽频极化无关全介质高性能吸波隐身结构，获得了在8.2GHz-30.0GHz频带内90%以上高效吸收。并以此为基础，设计制备了一种在通过泵控制液态金属谐振结构从无到有的切换的超材料吸波结构，实现了7-30GHz频率内高效吸波，为超材料吸波结构设计提供了一种新的思路。4）制备了首个面向任意复杂结构目标隐形的三维球型极薄全极化无关全方向高性能隐形斗篷。通过结构的高度对称性及曲面结构的光滑过渡，显著提升了隐身性能。样品厚度仅有1/17波长，在垂直入射全极化条件下，实测最大RCS缩减约为未覆盖隐身斗篷时的3%左右，3dB缩减带宽约33%。通过本项目的开展，显著了促进了3D打印技术与超表面隐身斗篷理论研究的融合，为推动隐身斗篷向应用化方向发展奠定了坚实基础。