单轴各向异性隐身吸波材料的电磁性能评估与制备

Observations show that new electromagnetic absorbing materials usually present uniaxial anisotropy on the physical structure and electromagnetic parameters obviouly. However, due to the outdated assessment theory, people often treat them as isotropic media in evaluating the stealth performance of the materials. Therefore, a big difference between the evaluation results and the actual stealth performance occurs. This project intends to build two new evaluation methods: (1) theoretical analysis method. The dispersion condition of the medium is derived through the uniaxial anisotropic lossy Maxwell equation. Combined with the boundary conditions, analytical expressions for the reflecting field and the incident field are derived. This method can be used for the evaluation of materials under the ideal condition, which provides a theoretical guidance for the research of the wave absorbing material. (2) The numerical simulation method. The simulation model is derived from the efficient FDTD method based on Weighted Laguerre Polynomials, which is suitable for the simulation of uniaxial anisotropic lossy media. The high efficiency and low memory requirement of the model ensure the simulation of complex stealth target with a large size. Finally, an uniaxial anisotropic absorbing material with high performance is produced based on these evaluation models.

观测表明，新型隐身吸波材料通常在物理结构和电磁参数上具有明显的单轴各向异性特征。然而由于评估理论的陈旧，人们在评估这些材料的隐身性能时，又往往将它们当作各向同性介质进行分析和计算，使得评估结果与实际隐身效果之间存在较大的偏差。本项目拟建立两种新的评估方法：（1）理论解析方法，通过单轴各向异性有耗介质中的麦克斯韦方程推导出色散条件，结合连续性边界条件，得到材料表面反射场和入射场的解析表达式，该方法可以用于评价材料在理想状态下的隐身吸波性能，为材料的制备提供理论指导；（2）数值模拟方法，通过引入时域有限差分算法中的高效拉盖尔算法，建立适用于单轴各向异性有耗介质的计算模型，该模型极高的效率和极低的内存需求对大型隐身目标的电磁散射模拟有很大帮助，可以用于评估复杂条件下雷达目标整体的隐身性能。最后，在以上评估模型的指导下，制备一种高性能单轴各向异性隐身吸波材料。

本项目已按计划完成项目申报书中拟定的所有研究目标。项目组建立了单轴各向异性隐身吸波材料电磁传播的理论模型，推导出了材料表面的反射系数和透射系数，并进一步得到了理想的无反射条件和完全匹配条件。提出了适用于单轴各向异性隐身吸波材料电磁仿真的高效WLP-FDTD算法及其配套的迭代算法，该算法是一种无条件稳定算法，可以获得计算域内任意点的时域波形。数值算例表明高效WLP-FDTD算法的精度高于拉盖尔基FDTD算法和ADI-FDTD算法，计算时间仅为拉盖尔基FDTD算法的12.4%，是传统FDTD算法的4.7%，占用的内存仅为拉盖尔基FDTD算法的1.2%。综合考虑算法的稳定性、精度、计算效率和内存消耗，高效WLP-FDTD算法具有较明显的优势。将理论推导中得到的完全匹配条件代入高效WLP-FDTD算法中进行数值验证，结果表明最大相对反射误差仅为-82dB，即几乎无反射波存在，与理论推导相吻合。最后，在理论模型的指导下，研制了一种电、磁参数可调的γ-Fe2O3@PPy气凝胶，该吸波材料样品的最佳损耗峰值为−36.02dB，有效吸波带宽为5.33GHz。项目组依托课题研究，出版学术专著1部，发表SCI论文4篇、EI论文2篇，申请国家发明专利5项，参与国际学术交流5次，培养博士研究生1名，硕士研究生1名。