發(fā)布時(shí)間：2020-07-09 10:49

【摘要】：頻率選擇超材料是一種將金屬超結(jié)構(gòu)振子在介質(zhì)基板上進(jìn)行周期性陣列所形成的人工調(diào)制表面結(jié)構(gòu),這種超材料具有帶內(nèi)透射率高、帶外截止能力強(qiáng)、寬入射角范圍內(nèi)頻率特性好等優(yōu)異電磁性能,這些性能使其在改善天線性能上有著巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。但由于這些金屬超結(jié)構(gòu)振子的存在,使罩體具有一定的金屬屬性,導(dǎo)致其雷電附著特性不同于常規(guī)天線罩,常規(guī)雷電屏蔽方式對(duì)其失效,其雷電危害更為突出。論文分析了超材料天線罩雷電防護(hù)的特殊性,確定了超材料天線罩雷電防護(hù)研究思路,設(shè)計(jì)了用于模擬雷電電壓的1OOkV沖擊電壓試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)研究了超材料沿面放電和蒙皮擊穿特性,仿真分析了超材料電場(chǎng)分布情況,探討了蒙皮表面電荷對(duì)超材料流注擊穿過(guò)程的影響。論文的主要內(nèi)容有:(1)介紹了雷電對(duì)飛機(jī)的影響,從常規(guī)雷電防護(hù)方法失效、放電路徑的變化這兩方面,對(duì)超材料天線罩與普通天線罩進(jìn)行了對(duì)比,分析了超材料天線罩雷電防護(hù)的特殊性,給出了解決超材料天線罩雷電防護(hù)問(wèn)題的研究思路,并根據(jù)超材料沿面放電試驗(yàn)和流注擊穿試驗(yàn)的需求,研制了 1OOkV雷電沖擊電壓試驗(yàn)系統(tǒng)。(2)開(kāi)展了超材料沿面放電試驗(yàn)。研究了超材料沿面放電形貌特征,測(cè)量雙電極在超材料表面不同相對(duì)位置下的放電電壓,分析了雙電極最短距離、雙電極偏離角對(duì)沿面放電特性的影響。結(jié)果表明,超材料表面放電通道呈折線狀,由兩類(lèi)放電路徑組成,第一類(lèi)路徑與超結(jié)構(gòu)周期方向平行,第二類(lèi)路徑與超結(jié)構(gòu)周期方向夾角45°。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),超材料沿面放電的主通道發(fā)生在沿絕緣間隙總長(zhǎng)度最短的路徑上。隨著雙電極最短距離的增加,放電電壓呈線性增加趨勢(shì)。隨著雙電極連線偏離角的增大,沿面放電電壓先增后減,當(dāng)偏離角為0°或45°時(shí),放電電壓較低,當(dāng)偏離角為22.5°時(shí),放電電壓較高。(3)開(kāi)展了超材料蒙皮擊穿試驗(yàn)。從放電形貌、擊穿電壓和電荷沉積三個(gè)方面,對(duì)比研究了兩種超材料的放電特性,分析了兩種超材料的電場(chǎng)分布情況。結(jié)果表明,諧振環(huán)型超材料的擊穿電壓最高,細(xì)絲狀放電較暗且較少,靠近接地位置的細(xì)絲狀放電較多;耶路撒冷型超材料的擊穿電壓最低,細(xì)絲狀放電較亮且較多。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),細(xì)絲狀放電導(dǎo)致帶電粒子積累到蒙皮表面形成表面電荷,表面電荷密度達(dá)上百μC/m2,在蒙皮內(nèi)部產(chǎn)生與外加電場(chǎng)同向的電場(chǎng),數(shù)值達(dá)幾十kV/cm,顯著提高了蒙皮內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度,蒙皮在外加電場(chǎng)和表面電荷的雙重作用下發(fā)生擊穿。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB34
【圖文】：

選擇超材料是一種將金屬超結(jié)構(gòu)振子在介質(zhì)基板上進(jìn)行周期性排列所形成的人工逡逑電磁材料［１］，這些金屬超結(jié)構(gòu)振子是通過(guò)介質(zhì)覆銅板化學(xué)刻蝕、介質(zhì)材料的表面沉逡逑積和表面貼片等工藝形成，如圖１所示。通過(guò)調(diào)整超材料上金屬超結(jié)構(gòu)振子的形逡逑狀、尺寸和分布，使入射到超材料上的電磁波在諧振頻點(diǎn)發(fā)生全反射或全透射，逡逑形成對(duì)電磁波頻率、入射角度以及極化方式均有選擇功能的空間濾波器，這種應(yīng)逡逑用于頻率選擇技術(shù)上的超材料稱(chēng)之為頻率選擇超材料［ｗ］。這種超材料呈現(xiàn)帶內(nèi)透逡逑射率高、帶外截止能力強(qiáng)、寬入射角范圍內(nèi)頻率特性好等優(yōu)異電磁性能，這些獨(dú)逡逑特的電磁特性使其在改善天線性能上有著巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展空間，因此頻率逡逑選擇超材料被普遍認(rèn)為是先進(jìn)飛機(jī)天線罩的理想罩體材料。逡逑圖Ｕ超材料逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑雷電是神秘的，但對(duì)于大氣中的飛機(jī)卻是危險(xiǎn)的。雷電的本質(zhì)是一種伴隨著逡逑高電壓和強(qiáng)電流的放電現(xiàn)象，這種放電現(xiàn)象極具破壞性［４］。全球每年除了上千架飛逡逑機(jī)會(huì)在大氣中遭遇雷擊之外，停機(jī)坪上正在進(jìn)行檢修作業(yè)的工作人員、停放的飛逡逑機(jī)也會(huì)遭遇雷擊

而針對(duì)超材料天線罩，大量金屬超結(jié)構(gòu)振子分布于天線罩罩壁內(nèi)部，與分流逡逑條幾乎處于相同的空間位置，分流條相對(duì)于金屬超結(jié)構(gòu)振子失去空間位置優(yōu)勢(shì)，逡逑如圖２２所示。在雷電下行先導(dǎo)的發(fā)展過(guò)程中，罩壁內(nèi)部部分區(qū)域金屬超結(jié)構(gòu)的感逡逑應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)超過(guò)分流條上的電場(chǎng)強(qiáng)度，這些金屬超結(jié)構(gòu)相對(duì)于分流條更容易產(chǎn)逡逑生迎面先導(dǎo)［４Ｇ＿４４］，從而將雷電主放電通道引向超材料天線罩，導(dǎo)致分流條屏蔽失逡逑效。逡逑對(duì)超材料平板樣品進(jìn)行電場(chǎng)仿真時(shí)，與常規(guī)天線罩材料相比，其周?chē)妶?chǎng)分逡逑布發(fā)生明顯變化。圖２．３⑷和（ｂ）分別為常規(guī)天線罩材料和耶路撒冷型超材料的周?chē)义想妶?chǎng)仿真結(jié)果。對(duì)于常規(guī)天線罩材料，罩體內(nèi)天線表面電場(chǎng)強(qiáng)度極高，分流條上逡逑電場(chǎng)強(qiáng)度極高，罩體表面電場(chǎng)強(qiáng)度較低。而對(duì)于耶路撒冷型超材料，罩體內(nèi)天線逡逑表面電場(chǎng)強(qiáng)度極低，分流條上電場(chǎng)強(qiáng)度較高，但低于罩體表面電場(chǎng)強(qiáng)度。逡逑８逡逑

ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ逡逑為進(jìn)一步對(duì)比兩種材料表面電場(chǎng)分布情況，計(jì)算了兩種材料表面電場(chǎng)強(qiáng)度沿逡逑分流條寬度方向變化情況，如圖２．４所示。逡逑２５１邐——頻率選擇超材料逡逑２０邐廣「常規(guī)雷達(dá)罩材料，）逡逑？邐邐分流條邐Ｉ邋｜逡逑�。姡�，邋Ｍ逡逑３邋５逡逑０邐Ｉ邋１邋Ｉ邋＇邋Ｉ邋１邋Ｉ邋＇邐！邐＇邋Ｉ邋＇邋Ｉ逡逑－１５邐－１０邐－５邐０邐５邐１０邐１５逡逑邊距／ｃｍ逡逑圖２．４電場(chǎng)強(qiáng)度沿分流條寬度方向分布情況逡逑Ｆｉｇ邋２．４邋Ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ａｌｏｎｇ邋ｔｈｅ邋ｓｈｕｎｔ邋ｂａｒ邋ｗｉｄｔｈ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ逡逑結(jié)果表明，相較于常規(guī)天線罩材料，超材料表面電場(chǎng)強(qiáng)度更高，但超材料表逡逑面的分流條周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度較低。對(duì)于常規(guī)天線罩材料，分流條上電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)逡逑２０ｋＶ／ｃｍ，罩體表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大值不超過(guò)５ｋＶ／ｃｍ；對(duì)于頻率選擇超材料，分流逡逑條上電場(chǎng)強(qiáng)度最大僅為６ｋＶ／ｃｍ，罩體表面電場(chǎng)強(qiáng)度呈起伏狀，大部分區(qū)域的電場(chǎng)逡逑強(qiáng)度超過(guò)了邋６ｋＶ／ｃｍ，局部區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了邋７ｋＶ／ｃｍ。逡逑對(duì)雷達(dá)隱身超材料平板樣品進(jìn)行雷電附著模擬試驗(yàn)的過(guò)程中

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2747345