CN107968265B - 一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其包含：S1、基于原型吸波材料，得到对应的电磁参数以及原型频率，该电磁参数包括介电常数和磁导率；S2、根据多层材料的反射率计算理论，结合原型吸波材料的电磁参数以及原型频率分析其各层材料的阻抗特征和变化规律函数，得到阻抗特征函数；运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计；S3、确定缩比频率系数和形状缩比因子，得出满足阻抗特性的材料配方；S4、用材料配方构造出所需的高性能吸波体。其优点是：能够实现宽频吸波材料的快速设计。

Description

一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法

技术领域

本发明涉及吸波体设计技术领域，具体涉及一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法。

背景技术

高性能吸波体设计是实现吸波体的重要步骤，是后续制备高性能吸波体的基础。目前，高性能吸波体主要体现在“薄”、“轻”、“宽”、“强”等特征中，而应用最为广泛的吸波体主要包括质量轻和吸收强两个特性。结构型吸波材料是最为常见的高性能吸波体，通常以模压成型或切削制造为主，具有承载和实现部件功能的特点，而在设计中利用自适应的几何结构达到阻抗匹配特性，所设计出来的吸波材料通常需要考虑结构和材料两个方面的选材问题，同时需要具有特定的形状，开发周期长。

目前，针对高性能吸波体的设计主要以多层材料理论为主，如专利CN105196638A提出一种宽频吸波承力复合材料及其制备方法，该材料在设计上包括透波泡沫层、透波蒙皮、电损耗吸波层和屏蔽底层构成，通过多层材料的优化设计，设计了典型的多层结构。

专利CN104979641A提出了一种宽频吸波体及其应用方式，该吸波体整体呈三明治结构，两侧是颗粒复合物损耗层，中间是高介电薄层，设计理论仍然为多层材料设计理论。

专利CN104893606A提出了一种宽频带吸波贴膜，包括绝缘层、作为反射层的吸波层、吸波和离型材料层。所述绝缘层、吸波层之间设置有第一胶粘层，吸波层、吸波之间设置有第二胶粘层，制备方式为简单贴敷。

专利CN104893606A提出了一种宽频带吸波贴膜，包括绝缘层、作为反射层的吸波层、吸波和离型材料层；所述绝缘层、吸波层之间设置有第一胶粘层；所述吸波层、吸波之间设置有第二胶粘层；所述吸波、离型材料层之间设置有第三胶粘层，该发明宽频带吸波贴膜有较强的电磁波吸收特性，在2～10GHz电磁波的衰减率达到85％，然而在稍高频带10～18GHz内难以达到相应的吸波性能，宽频吸收仍面临不足，另外吸波材料的内结构仍未考虑。

专利CN104485515A提出一种加载集总元件的宽带吸波材料，该吸波材料包括基底材料，以及设于基底材料上的环状金属线，所述环状金属线的环内设有十字形金属线，所述环状金属线为圆环、方环或六边形环；所述十字形金属线的上、下、左、右四个端部分别串联有电阻/电容，所述环状金属线上与十字形金属线的上、下、左、右四个端部对应位置处也串联有电阻/电容。本发明在结构上具有90度旋转对称特性，能够很好地克服电磁波的极化敏感性，而且在较宽频带内对电磁波具有较高的吸收率。

专利CN104030668A提出一种多共振吸收的锆掺杂钡铁氧体宽频吸波材料，其采用的吸收剂为钡锌或钡锆铁氧体，以及两种粉末的混合物，将具有不同本征参数峰值的材料合成为一个复合体系，形成的吸波***中各个本征参数具有相应不同的特征共振频率，这种复合材料的共振频率出现范围大于复合用单相材料自身的共振频率出现范围。

专利CN103774328A提出了一种吸收宽频电磁波的绒面结构面料的加工方法，选用导电纤维混纺纱织造，或选用导电纤维混纺纱织造双层织。该设计将吸波剂与柔性黏结剂稀释混合均匀，制成具有良好粘结性能的吸波黏结剂。绒面结构的宽频电磁波吸收面料的吸收电磁波频率范围拟为300MHz～40GHz，该材料具有良好的屏蔽效果，但是吸波性能还十分有限，吸波频带仍然较窄。

专利CN103347379A提出了一种难燃型宽频段高功率复合吸波材料及其制备方法，该材料包括外壳、内芯和底座，外壳呈由一组角锥并列形成的多面体，各角锥的尖劈朝向同一侧；内芯位于外壳内部，底座位于外壳底部；外壳由无纺布制成，内芯和底座由聚氨酯泡沫制成；外壳内外表面分别覆有第一阻燃吸波剂层，内芯和底座经第二阻燃吸波剂浸渍处理过；本发明吸波材料兼具优良的吸波性能和阻燃性能，制备方法简便易行，考虑到了表面结构形貌对于拓宽吸波频带的影响，但对于内结构仍未涉及。

综上所述，宽频高性能吸波体的设计主要还集中在多层设计以及简单单层吸波材料设计为主，对于设计原理还有很大的提升空间。随着人们对高性能吸波体需求的增加，民用吸波材料已出现系列产品，如手机防辐射贴片、吸波角锥等，但是由于制造技术的限制，产品结构较为单一，可设计性差。这都使得开展高性能吸波体的高效设计成为迫切需求，不仅能够拓宽吸波材料的可设计性，也能丰富吸波材料的制备手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，能够实现宽频吸波材料的快速设计，利用现有的高性能吸波体及其相应结构，将设计过程进行简化后实现相似结构的高效设计，并保证相应的吸波性能，可以应用于民用或军用装备、低散射目标和建筑物等的电磁防护中，实现电磁波的吸收，降低目标的电磁散射。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征是，包含：

S1、选取原型波段的高性能吸波体，基于对应的原型吸波材料，得到对应的电磁参数以及原型频率，该电磁参数包括介电常数和磁导率；

S2、根据多层材料的反射率计算理论，结合原型吸波材料的电磁参数以及原型频率分析其各层吸波材料的阻抗特征和变化规律函数，得到阻抗特征函数；

运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层吸波材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计；

S3、确定缩比频率系数和形状缩比因子，得出满足阻抗特性的材料配方；

S4、用材料配方构造出所需的高性能吸波体。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中：

原型吸波材料为介电型吸波材料或磁性吸波材料，吸波微粒为碳系列吸收剂或铁系列吸收剂；

原型波段的高性能吸波体的吸波结构为立方锥结构，吸波体包括两层，上部分锥体和下部分柱体，上部分锥体高度H1、上部分锥体底面宽度L、上部分锥体角度θ＝2*arctan(0.5L/H1)，下部分柱体高度H2；

内部吸波微粒均匀分布，原型吸波材料整体对应的电磁参数包括介电常数ε_ph＝ε′_ph-jε″_ph和磁导率μ_ph＝μ′_ph-jμ″_ph，对应的原型频率为f_ph，ε_ph是复数介电常数、ε′_ph是介电常数实部、ε″_ph是介电常数虚部、μ_ph是复数磁导率，μ′_ph是磁导率实部，μ″_ph是磁导率虚部。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S2中：

缩比材料选用介电型吸波材料或磁损耗型材料。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S2具体包含：

S21、根据多层材料的反射率计算理论，计算原型吸波材料各层吸波材料的等效电磁参数：

将立方锥结构的原型波段的高性能吸波体原型吸波材料等效为n层吸波材料，n层吸波材料均平行于材料底面，且每层吸波材料的结构形式为锥形台结构，每层吸波材料的分布为非均匀性的，顶层宽度为d_i，底层宽度为d_i+1，每层的高度为H1/n，通过CST仿真，得到每层材料对应的传输反射系数，进而根据NRW方法，计算出每层材料对应的等效电磁参数ε_n和μ_n，ε_n和μ_n分别为第n层材料的介电常数和磁导率；

S22、根据多层反射率的计算公式，计算原型吸波材料各层吸波材料的缩比电磁参数：

为保证反射率不变，保证各层吸波材料的表面阻抗和特征阻抗不变，即：

和

在缩比前后保持不变；

式中，Z_n为第n层材料的特征阻抗，γ_n为第n层材料的传播常数，d_n为第n层材料的厚度，C为光速，v为吸波微粒的体积添加比；

选取缩比系数为s，缩比频率为sf；

若缩比后的厚度为d_n/s，得到

和

保持不变，通过变换，即需要缩比前后μ_n和ε_n保持不变，此时对应的材料需要对吸波结构进行等电磁参数设计；

若保持缩比后的厚度比例s′与缩比系数s不同，及缩比厚度为d_n/s′，此时需要保持

和

同时成立，化简为：

通过变化，ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s，得到缩比频率下对应的介电常数εsn和磁导率μ^s _n；

S23、运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层吸波材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S21中：

CST仿真时选择3个截面进行仿真得到各个截面的等效电磁参数，然后采用抛物线插值方法获取其他截面的等效电磁参数，3个截面分别为第1个，第INT(n/2)和第n个，其中INT为取整函数。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S23中：

对于介电型吸波材料的缩比设计，选取s′＝s，保证ε^s _n＝ε_n；在采用缩比结构的形状相同原则时，通过等效结构反演得到的非均匀结构的缩比材料和原型吸波材料介电常数是一致的，同时，当随着频率的增加，介电常数变化通常较小时，此时无需调整结构，只需要等效结构设计，当原型吸波材料的介电常数有一定的变化时，对于介电型吸波材料而言此时只需要调整吸波微粒的体积添加比，经过反演得到各层吸波材料对应的体积添加比和吸波微粒类型。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S23中：

对于磁性吸波材料的缩比设计，当s′和s不同时，需要满足ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S23中：

对于填充型磁性吸波材料，根据不同体积比的电磁材料电磁参数库对介电常数进行插值拟合，得到均匀分布材料的介电常数，利用等效媒质理论，进而得到对应吸波材料的配制比例，并根据该配置比例配置相应的吸波材料，设计中选取参数相对误差在10％以内。

上述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其中，所述的步骤S23还包含：

对根据配制比例配制得到的吸波材料的介电常数进行计算，当介电常数值与目标介电常数值存在偏差时，采用第三相吸收剂进行参数拟合；

针对第三相吸收剂，计算吸波材料的电磁参数为：

式中，q为吸波微粒的体积添加比，

为混合物的介电损耗正切值，tanδ_ms为吸波微粒的介电损耗正切值，tanδ_mt为含第三相吸收剂的介电损耗正切值，通过引入第三相吸收剂调整材料的介电常数得到需要的电磁参数，第三相吸收剂为介电型吸波微粒。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、能够实现宽频吸波材料的快速设计，利用现有的高性能吸波体及其相应结构，将设计过程进行简化后实现相似结构的高效设计，并保证相应的吸波性能，可以应用于民用或军用装备、低散射目标和建筑物等的电磁防护中，实现电磁波的吸收，降低目标的电磁散射；

2、本设计方法还能够用于其他复杂结构材料设计中，是一种具有应用前景的复杂吸波材料的高效设计方法。

附图说明

图1是本发明中的方法流程图；

图2是本发明中的原型吸波材料的结构示意图；

图3是本发明中的原型吸波材料的第i层截面材料等效结构图；

图4是本发明中优化设计前后的高性能吸波体的反射率曲线；

图5是本发明的实施例中原型吸波材料的第三层吸波结构等效的电磁参数；

图6是本发明的实施例中各层缩比设计需要获取的等效介电常数和磁导率；

图7是本发明的实施例中缩比优化设计的各层吸波材料等效参数和添加比。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明公开了一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其包含：

S1、选取原型波段的高性能吸波体，基于对应的原型吸波材料，得到对应的电磁参数以及原型频率，该电磁参数包括介电常数和磁导率；

S2、根据多层材料的反射率计算理论，结合原型吸波材料的电磁参数以及原型频率分析其各层吸波材料的阻抗特征和变化规律函数，得到阻抗特征函数；

运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层吸波材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计；

S3、确定缩比频率系数和形状缩比因子，得出满足阻抗特性的材料配方；

选取缩比系数为s，缩比频率为sf；

若缩比后的厚度为d_n/s，通过变换，即需要缩比前后μ_n和ε_n保持不变，此时对应的材料需要对吸波结构进行等电磁参数设计；

若保持缩比后的厚度比例s′与缩比系数s不同，及缩比厚度为d_n/s′，通过变换，得到缩比频率下对应的介电常数εsn和磁导率μ_n为：ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s。

材料的配制采用基于电磁参数库的等效媒质理论，优化计算出接近设定参数的配方，当偏差较大时，添加第三种配制微粒。

S4、用材料配方构造出所需的高性能吸波体。

所述的原型吸波材料为介电型吸波材料或磁性吸波材料，吸波微粒为碳系列吸收剂或铁系列吸收剂，碳系吸收剂包括炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨和石墨烯等；铁系吸收剂包括铁氧体、羰基铁、铁硅铝等；原型吸波材料为立方锥结构，以材料的单个结构单元为例，如图2所示，原型波段的高性能吸波体的吸波结构为立方锥结构，吸波体包括两层，上部分锥体和下部分柱体，上部分锥体高度H1、上部分锥体底面宽度L、上部分锥体角度θ＝2*arctan(0.5L/H1)，下部分柱体高度H2，对应的电磁参数包括介电常数ε_ph＝ε′_ph-jε″_ph和磁导率μ_ph＝μ′_ph-jμ″_ph，对应的原型频率为f_ph，ε_ph是复数介电常数、ε_ph是介电常数实部、ε_ph是介电常数虚部、μ_ph是复数磁导率，μ_ph是磁导率实部，μ_ph是磁导率虚部。

根据多层材料的反射率计算理论，将立方锥结构的原型吸波材料等效为多层吸波材料，多层材料均平行于材料底面，多层材料的阻抗计算公式如下：

Z_in1＝Z₁tanh(γ₁d₁)

其中，Z_inn表示第n层的表面阻抗，

为第n层材料的特征阻抗，ε_n和μ_n为第n层材料的介电常数和磁导率，

为第n层材料的传播常数，d_n为第n层材料的厚度，C为光速。

所述的步骤S2具体包含：

S21、根据多层材料的反射率计算理论，计算原型吸波材料各层吸波材料的等效电磁参数：

本实施例中，由于每层材料的结构形式为锥形台结构(也可以为其他结构)，对于周期结构而言，材料分布为非均匀分布，如图3所示，这不适用于多层均匀材料理论计算，需要进行等效设计。

将立方锥结构的原型吸波材料体的吸波结构等效为n层吸波材料，n层吸波材料均平行于材料底面，且每层吸波材料的结构形式为锥形台结构(最顶层的锥形结构可视为顶层宽度为0的锥形台结构)，每层吸波材料的分布为非均匀性的，以图中四方台结构为例，顶层宽度为d_i，底层宽度为d_i+1，每层的高度为H1/n，通过CST仿真，得到每层材料对应的传输反射系数，进而根据NRW方法，计算出每层材料对应的等效电磁参数ε_n和μ_n，ε_n和μ_n分别为第n层材料的介电常数和磁导率；较佳的，CST仿真时选择3个截面进行仿真得到各个截面的等效电磁参数，然后采用抛物线插值方法获取其他截面的等效电磁参数，3个截面分别为第1个，第INT(n/2)和第n个，其中INT为取整函数；

S22、根据多层反射率的计算公式，计算原型吸波材料各层吸波材料的缩比电磁参数：

为保证反射率不变，保证各层吸波材料的表面阻抗和特征阻抗不变，即：

和

在缩比前后保持不变；

式中，Z_n为第n层材料的特征阻抗，γ_n为第n层材料的传播常数，d_n为第n层材料的厚度，C为光速，f为吸波微粒的体积添加比；

选取缩比系数为s，缩比频率为sf；

若缩比后的厚度为d_n/s，得到

和

保持不变，通过变换，即需要缩比前后μ_n和ε_n保持不变，此时对应的材料需要对吸波结构进行等电磁参数设计；

若保持缩比后的厚度比例s′与缩比系数s不同，及缩比厚度为d_n/s′，此时需要保持

和

同时成立，化简为：

通过变化，ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s，得到缩比频率下对应的介电常数εsn和磁导率μ^s _n；

因此当原型频段的高性能吸波材料确定后，通过确定频率缩比系数和尺寸缩比系数，即可根据上述关系式得到缩比频率下对应的介电常数和磁导率。

S23、运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层吸波材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计。

所述的步骤S23中：

对于介电型吸波材料的缩比设计，通常仅包括介电常数ε_n，此时μ_n＝1。当s′和s不同时，将会出现μ^s _n＝s′/s，即磁导率实部为s′/s，而虚部为0，这一类材料对于常规材料的配制而言难以实现。因此，对于该类介电型吸波材料，优先选取s′＝s，保证ε^s _n＝ε_n；在采用缩比结构的形状相同原则时，通过等效结构反演得到的非均匀结构的缩比材料和原型吸波材料介电常数是一致的，同时，当随着频率的增加，介电常数变化通常较小时，此时无需调整结构，只需要等效结构设计，当原型吸波材料的介电常数有一定的变化时，对于介电型吸波材料而言此时只需要调整吸波微粒的体积添加比，经过反演得到各层吸波材料对应的体积添加比和吸波微粒类型，调整吸波微粒的体积添加比的具体过程如下：

对于填充型方锥台结构分布的吸波材料，首先需要对非均匀结构区域材料的等效介电常数进行反演，采用的方法为等效媒质理论，表达式如下：

式中，p为区域结构的体积添加比，而ε_i和ε_m分别为添加材料和空气的介电常数，通常而言，ε_m＝1。

在采用缩比结构的形状相同原则时，通过等效结构反演得到的非均匀结构的缩比材料和原型吸波材料介电常数是一致的。同时，当随着频率的增加，介电常数变化通常较小时，此时无需调整结构，只需要等效结构设计即可。当原型吸波材料的介电常数有一定的变化时，对于介电型吸波材料而言此时只需要调整微粒的添加比即可，调节采用的方法仍然为等效媒质理论，只需要将上式中的ε_i和ε_m分别换成对应浓度下的材料介电常数和基体的介电常数，ε_m＝2，经过反演即可得到各层吸波材料对应的添加比和吸波微粒类型。

对于磁性吸波材料的缩比设计，参数包括介电常数ε_n和μ_n，此时μ_n≠1，对于磁性吸收剂材料而言，通常随着频率的增加，磁导率会有一定的变化。当s′和s不同时，需要满足ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s。该条件对于磁性材料还是可能实现的。计算方法和介电常数插值拟合流程一致，由于磁性材料的介电常数容易调整，而磁导率难以调整，因此先对磁导率进行插值计算，基于各层吸波材料的添加比，对具有分布结构的材料磁导率进行反演。采用的方法仍然为等效媒质理论，具有各向同性的磁导率μ_eff满足如下方程：

式中，p为颗粒的区域体积比，n为形状因子，而μ_i和μ_m分别为添加颗粒和空气的磁导率，通常而言，μ_m＝1。

对于填充型磁性吸波材料，根据不同体积比的电磁材料电磁参数库对介电常数进行插值拟合，得到均匀分布材料的介电常数，利用等效媒质理论，进而得到对应吸波材料的配制比例，并配置相应的吸波材料，设计中选取参数相对误差在10％以内；

同时，对根据配制比例配制得到的吸波材料的介电常数进行计算，当介电常数值与目标介电常数值存在偏差时，采用第三相吸收剂进行参数拟合；

针对第三相吸收剂，计算吸波材料的电磁参数为：

式中，q为吸波微粒的体积添加比，

为混合物的介电损耗正切值，tanδ_ms为吸波微粒的介电损耗正切值，tanδ_mt为含第三相吸收剂的介电损耗正切值，通过引入第三相吸收剂调整材料的介电常数得到需要的电磁参数，第三相吸收剂为介电型吸波微粒，包括碳系材料、SiC、ZnO等。

另外，根据不同体积比的电磁材料电磁参数库对磁导率进行拟合，可以得到均匀分布材料的磁导率和配方，为方便设计，当缩比设计对应的材料填充比例偏差不大时，可以选取三者中的平均添加比来设计吸波体，尽管设计的结果有一定的误差，但仍然能够得到性能优异的吸波体。

实施例一

本实施例为等电磁参数设计

原型波段高性能吸波体：

首先，选取原型波段的高性能吸波体，吸波结构为立方锥结构，对应的原型吸波材料为介电型吸波材料，吸波微粒为炭黑，体积添加比5％。原型吸波材料主要包括两层。以材料的单个结构单元为例，结构尺寸主要包括上端高度H1＝400mm、下端高度H2＝40mm、总高440mm、宽度L＝180mm。原型吸波材料内部材料为均匀分布，对应的电磁参数包括介电常数ε_ph＝11-j5.5和磁导率μ＝1，对应的原型频率为5GHz。

原型频段吸波体结构阻抗分析：

根据多层反射率的计算公式，为保证反射率不变，需要保证各层的表面阻抗和特征阻抗不变，即：

和

在缩比前后保持不变。如选取缩比系数为s，缩比频率为sf。若缩比后的厚度为d_n/s，进而可以得到

和

保持不变，即缩比前后μ_n和ε_n保持不变，此时对应的材料需要对结构进行等电磁参数设计。

等效电磁参数设计方法：

对于介电型吸波材料的缩比设计，优先选取s′＝2，只需要保证ε^s _n＝ε_n。随着频率的增加，5％添加比下的炭黑材料介电常数变化不大，只需要保持材料不变即可。此时对应的材料仍然为炭黑材料，填充比例仍然为体积比5％，吸波材料性能和原型吸波材料能够具有很好的一致性。

实施例二

原型波段高性能吸波体：

首先，选取原型波段的高性能吸波体，吸波结构为立方锥结构，对应的原型吸波材料为磁损型吸波材料，吸波微粒为羰基铁，体积添加比20％。原型吸波材料主要包括两层。以材料的单个结构单元为例，结构尺寸主要包括上端高度H1＝200mm、下端高度H2＝20mm、总高220mm，宽度L＝90mm，此时上端角度θ＝2*arctan(0.225)°。原型吸波材料内部材料为均匀分布，对应的电磁参数包括介电常数ε_ph＝10.63-j0.47和磁导率μ_ph＝2.28-j1.18，对应的原型频率为5GHz，自行设定缩比系数为2。

原型频段吸波体结构阻抗分析：

由于每层材料的结构形式为锥形台结构，对于周期结构而言，材料分布为非均匀分布，如图3所示，对于该类材料的等效电磁参数采用基于CST软件仿真的反向计算来完成。选择第i层宽度为d_i，底层宽度为d_i+1，每层的高度为20mm。通过CST仿真后，可以得到第1层，第10层和第20层材料对应的传输反射系数，进而根据NRW方法，计算出材料对应的等效电磁参数，主要包括介电常数ε_n，计算结果如图5所示。

根据多层反射率的计算公式，为保证反射率不变，需要保证各层的表面阻抗和特征阻抗不变，即：

和

在缩比前后保持不变。选取缩比后的厚度比例s′＝0.8与缩比系数s不同，及缩比厚度为d_n/s′，此时需要保持

和

同时成立，化简为：

对上式处理后，可以得到ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s。

等效电磁参数设计方法：

对于磁性吸波材料的缩比设计，参数包括介电常数ε_n和μ_n，此时μ_n≠1，对于磁性吸收剂材料而言，通常随着频率的增加，磁导率会有一定的变化。当s′和s不同时，需要满足ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s，对应选取的3个截面对应的电磁参数如图6所示。

由于磁性材料的介电常数容易调整，而磁导率难以调整，因此先对磁导率进行插值计算，对微粒的添加比进行设计。采用的方法仍然为等效媒质理论，具有各向同性的磁导率通常满足如下方程：

式中，p为颗粒的区域体积比，n为形状因子，而μ_i和μ_m分别为添加颗粒和空气的磁导率，通常而言，μ_m＝1。对于填充型方锥台结构分布的吸波材料，也需要考虑非均匀分布效应，即对磁导率进行反演，继续对磁导率进行逼近，采用的方法仍然为等效媒质理论，进而得到对应吸波材料的配制比例和材料。进而根据配制比例和材料对介电常数进行计算。

根据不同体积比的电磁材料电磁参数库对磁导率进行拟合，可以得到均匀分布材料的磁导率和配方，在10GHz下对应的添加比例和电磁参数分别如图7所示，设计材料仍然为片性羰基铁材料，为方便设计，考虑缩比设计对应的材料填充比例偏差不大，选取三者中的平均添加比来设计吸波体，添加比例为15％，尽管设计的结果有一定的误差，但是仍然能够得到性能优异的吸波体。

经过缩比设计后，对应的吸波体的反射率曲线如图4所示，可以看出该原型吸波材料在4.5-5.5GHz范围内的反射率值低于-45dB，具有很好的吸波性能，而经过缩比设计后的材料反射率针对缩比频段9-11GHz范围，吸波结构的反射率低于-50dB，这是由于中间对吸波材料的配方经过一定的修改和电磁参数存在偏差导致的，表现出更好的吸波性能，可以看出经过缩比理论设计的吸波体能达到原定目标设计的吸波性能，该吸波材料在性能能够满足高性能吸波体的工程需求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，包含：

S1、选取原型波段的高性能吸波体，基于对应的原型吸波材料，得到对应的电磁参数以及原型频率，该电磁参数包括介电常数和磁导率；

S2、根据多层材料的反射率计算理论，结合原型吸波材料的电磁参数以及原型频率分析其各层吸波材料的阻抗特征和变化规律函数，得到阻抗特征参数；

运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层吸波材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计；

S3、确定缩比频率系数和形状缩比因子，得出满足阻抗特性的材料配方；

S4、用材料配方构造出所需的高性能吸波体；

原型吸波材料为介电型吸波材料或磁性吸波材料，吸波微粒为碳系列吸收剂或铁系列吸收剂；

原型波段的高性能吸波体的吸波结构为立方锥结构，吸波体包括两层，上部分锥体和下部分柱体，上部分锥体高度H1、上部分锥体底面宽度L、上部分锥体角度θ＝2*arctan(0.5L/H1)，下部分柱体高度H2；

内部吸波微粒均匀分布，原型吸波材料整体对应的电磁参数包括介电常数ε_ph＝ε′_ph-jε″_ph和磁导率μ_ph＝μ′_ph-jμ″_ph，对应的原型频率为f_ph，ε_ph是复数介电常数、ε′_ph是介电常数实部、ε″_ph是介电常数虚部、μ_ph是复数磁导率，μ′_ph是磁导率实部，μ″_ph是磁导率虚部；

所述的步骤S2具体包含：

S21、根据多层材料的反射率计算理论，计算原型吸波材料各层吸波材料的等效电磁参数：

将立方锥结构的原型波段的高性能吸波体原型吸波材料等效为n层吸波材料，n层吸波材料均平行于材料底面，且每层吸波材料的结构形式为锥形台结构，每层吸波材料的分布为非均匀性的，顶层宽度为d_i，底层宽度为d_i+1，每层的高度为H1/n，通过CST仿真，得到每层材料对应的传输反射系数，进而根据NRW方法，计算出每层材料对应的等效电磁参数ε_n和μ_n，ε_n和μ_n分别为第n层材料的介电常数和磁导率；

S22、根据多层反射率的计算公式，计算原型吸波材料各层吸波材料的缩比电磁参数：

为保证反射率不变，保证各层吸波材料的表面阻抗和特征阻抗不变，即：

和

在缩比前后保持不变；

式中，Z_n为第n层材料的特征阻抗，γ_n为第n层材料的传播常数，d_n为第n层材料的厚度，C为光速；

选取缩比系数为s，缩比频率为sf；

若缩比后的厚度为d_n/s，得到

和

保持不变，通过变换，即需要缩比前后μ_n和ε_n保持不变，此时对应的材料需要对吸波结构进行等效电磁参数设计；

若保持缩比后的厚度比例s′与缩比系数s不同，及缩比厚度为d_n/s′，此时需要保持

和

同时成立，化简为：

通过变化，ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s，得到缩比频率下对应的介电常数ε^s _n和磁导率μ^s _n；

S23、运用缩比理论构造与原型吸波材料形状相同的缩比材料，根据阻抗特征参数对各层吸波材料的缩比电磁参数和厚度进行理论设计。

2.如权利要求1所述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，所述的步骤S2中：

缩比材料选用介电型吸波材料或磁损耗型材料。

3.如权利要求1所述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，所述的步骤S21中：

CST仿真时选择3个截面进行仿真得到各个截面的等效电磁参数，然后采用抛物线插值方法获取其他截面的等效电磁参数，3个截面分别为第1个，第INT(n/2)和第n个，其中INT为取整函数。

4.如权利要求1所述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，所述的步骤S23中：

对于介电型吸波材料的缩比设计，选取s′＝s，保证ε^s _n＝ε_n；在采用缩比结构的形状相同原则时，通过等效结构反演得到的非均匀结构的缩比材料和原型吸波材料介电常数是一致的，同时，当随着频率的增加，介电常数变化通常较小时，此时无需调整结构，只需要等效结构设计，当原型吸波材料的介电常数有一定的变化时，对于介电型吸波材料而言此时只需要调整吸波微粒的体积添加比，经过反演得到各层吸波材料对应的体积添加比和吸波微粒类型。

5.如权利要求1所述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，所述的步骤S23中：

对于磁性吸波材料的缩比设计，当s′和s不同时，需要满足ε^s _n＝ε_ns′/s，μ^s _n＝μ_ns′/s。

6.如权利要求3所述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，所述的步骤S23中：

对于填充型磁性吸波材料，根据不同体积比的电磁材料电磁参数库对介电常数进行插值拟合，得到均匀分布材料的介电常数，利用等效媒质理论，进而得到对应吸波材料的配制比例，并根据该配制比例配制相应的吸波材料，设计中选取参数相对误差在10％以内。

7.如权利要求6所述的基于缩比理论的高性能吸波体设计方法，其特征在于，所述的步骤S23还包含：

对根据配制比例配制得到的吸波材料的介电常数进行计算，当介电常数值与目标介电常数值存在偏差时，采用第三相吸收剂进行参数拟合；

针对第三相吸收剂，计算吸波材料的电磁参数为：

式中，q为吸波微粒的体积添加比，

为混合物的介电损耗正切值，tanδ_ms为吸波微粒的介电损耗正切值，tanδ_mt为含第三相吸收剂的介电损耗正切值，通过引入第三相吸收剂调整材料的介电常数得到需要的电磁参数，第三相吸收剂为介电型吸波微粒。

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