学术简报｜直流升压条件下频率选择超材料流注放电特性
合肥工业大学电气与自动化工程学院、安徽省飞机雷电防护实验室、国家电网公司、安徽省电力科学研究院的研究人员赵玉顺、张桦等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文指出，频率选择超材料是一种理想的雷达罩材料，但其雷电屏蔽失效率较高，制约了这种材料的工程化应用。
本文制备两种典型结构频率选择超材料，基于雷击放电过程中目标物附近的电场变化，设计直流升压条件下的超材料流注放电试验方法，从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面，对比研究两种超材料的放电特性，分析两种超材料的电场分布情况。
结果表明，谐振环型超材料的击穿电压最高，细丝状放电较暗且密集，靠近接地位置的细丝状放电较多；耶路撒冷型超材料的击穿电压最低，细丝状放电较亮且稀疏。进一步分析发现，细丝状放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷，表面电荷密度达上百C/m2，在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场，数值达几十kV/cm，显著提高了蒙皮内部电场强度，蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。希望研究结果能够为超材料的雷电防护提供参考。
频率选择超材料是一种新型电磁调制材料结构，这种材料结构具有诸多优异电磁性能，是先进飞行器雷达罩的理想罩体材料。由于这种材料内部存在大量金属超结构单元，且被安装在较为突出的部位，其雷害问题较为突出，成为制约超材料雷达罩获得应用的关键问题之一，有必要针对这种超材料的雷电防护问题开展研究。
超材料雷达罩体由蒙皮、金属超结构单元和介质基板三层结构组成，如图1所示，其中金属超结构单元是超材料雷达罩实现其优异电磁特性的关键。目前国内外学者针对超材料的研究重点主要集中于超材料的设计与制备、超材料的滤波特性和吸波特性等方面，而有关这种新型电磁材料放电特性的研究鲜有报道。开展超材料在雷电电场环境中的流注放电特性研究，对于超材料雷达罩雷电防护设计具有重要意义。
图1 超材料雷达罩结构示意图
针对上述问题，论文在环氧树脂基材上制备了两种典型结构的超材料，基于雷达罩的实际雷电附着工况，设计了超材料流注放电试验方法，并引入金属铝板作为对比，从放电形貌、放电电压和电荷沉积方面，对比研究了两种超材料和铝板的放电特性，仿真分析了两种超材料和铝板的电场分布。希望研究结果能对超材料雷达罩的雷电防护提供参考。
图8 超材料流注放电试验系统示意图
论文在环氧树脂基材上制备了两种典型结构的超材料，基于雷达罩的实际雷击过程，设计了超材料流注放电试验方法，引入金属铝板作为对比，从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面，研究了两种超材料和铝板的放电特性，仿真计算了两种超材料和铝板的电场强度分布，得出以下结论：
1）不同结构的超材料流注放电特性有所不同。谐振环型超材料的击穿电压最高，细丝状放电较暗且密集，靠近接地位置的细丝状放电较多，击穿电压最高；耶路撒冷型超材料的击穿电压最低，细丝状放电较亮且稀疏。
2）不同结构的超材料的电场分布特性有所不同。谐振环型超材料中电场分布呈不对称性，强场区较小，超材料表面电场较低，但靠近接地位置一侧的电场强度较高；耶路撒冷型超材料中电场分布呈对称性，强场区较大，且超材料表面电场极高。
3）沉积在蒙皮表面的电荷量是导致蒙皮发生击穿的关键因素。细丝状放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷，表面电荷密度达上百C/m2，在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场，数值达几十kV/cm，提高了蒙皮内部电场强度，蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。