[论文解读] New approach to designing functional materials for stealth technology: Radar experiment with bilayer absorbers and optimization of the reflection loss

Jaume Calvo de la Rosa, Aleix Bou Comas+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2023

Material Properties and Applications被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种新型双层吸波器设计，采用六铁氧体和铁粉分散在亚毫米级涂料基质中，以优化隐身技术中的微波吸收性能。通过应用传输线理论对系统进行建模并实验验证，作者证明了通过厚度和填充因子调节实现的双层优化，其反射损耗显著低于单层系统，峰值吸收在10.5 GHz时超过99%。

ABSTRACT

Microwave power absorption by a two-layer system deposited on a metallic surface has been studied in the experimental setup emulating the response to a radar signal. Layers containing hexaferrite and iron powder in a dried paint of thickness under 1mm have been used. The data is analyzed within a theoretical model derived for a bilayer system from the transmission line theory. A good agreement between experimental and theoretical results is found. The advantage of using a bilayer system over a single-layer system has been demonstrated. How the maximum microwave absorption (minimum reflection loss) can be achieved through the optimization of the filling factors and thicknesses of the two layers is shown.

研究动机与目标

• 提出一种新型多功能材料设计策略，用于隐身技术中的多层微波吸波器。
• 克服单层吸波器在实现宽频带和深吸收方面存在的局限性。
• 通过实验验证双层系统相较于单层配置的优越性能。
• 通过系统调节层厚度和填充因子，实现反射损耗的优化。

提出的方法

• 设计并制备了由六铁氧体和铁粉分散在干燥涂料基质中的双层吸波器，每层厚度均小于1 mm。
• 利用传输线理论推导双层系统的理论模型，以预测反射损耗。
• 搭建雷达实验装置，测量在频率范围内的微波反射损耗，模拟真实雷达信号的相互作用。
• 系统性地改变层厚度和体积填充因子，以确定最佳吸收条件。
• 将实验测得的反射损耗数据与理论预测进行对比，以验证模型。
• 对双层结构进行优化，以最小化反射损耗并最大化吸收效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 双层吸波器系统在微波吸收效率方面如何优于单层系统？
• RQ2 在双层吸波器中，层厚度与填充因子的何种组合可使反射损耗最小化？
• RQ3 基于传输线理论的理论模型在多大程度上能准确预测双层系统的实验反射损耗？
• RQ4 亚毫米厚的涂料基吸波器能否在宽频微波范围内实现高效吸收？
• RQ5 在最优条件下，双层结构的最大可实现微波吸收率是多少？

主要发现

• 双层吸波器在10.5 GHz处实现了低于-20 dB的最小反射损耗，对应入射微波功率的吸收率超过99%。
• 与单层系统相比，观察到吸收带宽和峰值性能的显著提升。
• 基于传输线建模的理论预测在测试频率范围内与实验数据高度一致。
• 通过特定的层厚度与填充因子组合实现了最佳性能，证明了双层设计参数的重要性。
• 在涂料基质中使用六铁氧体和铁粉，实现了有效吸收，同时保持总厚度低于1 mm。
• 双层系统在超过2 GHz的带宽内实现了低于-10 dB的反射损耗，表明其具备有效的宽带吸收能力。