陳海燕，謝建良，周佩珩，陸海鵬，鄧龍江

(電子科技大學國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心，四川成都610054)

1 前言

隱身能力是新一代作戰(zhàn)飛行器最重要的技術特征之一[1]。雷達系統(tǒng)是軍事系統(tǒng)領域迄今為止最為有效的目標探測工具，它根據(jù)目標對雷達波的散射特性判定目標的性質(zhì)。雷達隱身技術成為最重要的一類技術，得到了世界各國的廣泛關注，并取得了飛速發(fā)展。目前隱身技術主要手段包括:外形隱身，雷達吸波材料RAM(Radar Absorbing Materials)的應用，有源對消和無源對消[2]。隨著雷達隱身技術的發(fā)展，飛行器雷達艙、座艙、進氣道等強散射源得到了有效控制[3]，這時，飛行器表面結構大量存在的縫隙、臺階、以及不可避免的邊緣等弱散射源的隱身問題凸顯，占總體散射的比重大大增加。這些弱散射源如不加以控制，極大限制了極低RCS(Radar Cross Section)裝備的研制。

2 基本定義

2.1 電磁缺陷

電磁缺陷被定義為在幾何上或電特性上的任何突變[4]，主要包括邊緣、縫隙、材料突變等，典型的電磁缺陷如圖1所示。目前飛行器等隱身目標的設計中，已對目標進行了優(yōu)化的結構隱身，有效抑制了鏡面、角體等強散射源散射，而邊緣、縫隙、材料突變等表面電磁缺陷這樣的次散射源占總體散射比重大大增加，且在某些極化和威脅角下的影響是非常明顯的。而且表面電磁缺陷往往是隱身裝備不可避免的，比如隱形戰(zhàn)機F22存在大量的表面電磁缺陷[5]，如圖2所示。因此，對邊緣、縫隙、材料突變等表面電磁缺陷的散射機理及其后向RCS減縮是進一步提高目標隱身特性的重要研究方向。

圖1 典型電磁缺陷結構(其中:ˉPi表示入射波，ˉPs表示散射波)Fig.1 Typical structures of electromagnetic discontinuities

圖2 F22戰(zhàn)機表面電磁缺陷Fig.2 Surface electromagnetic discontinuities of aircraft F22

散射源的散射特性與頻率關系密切，G.T.Ruck編著的《Radar Cross Section Handbook》給出了各種散射源的散射特性與波長(頻率)之間的關系[6]，如表1所示。來自鏡面的強散射源，其雷達散射截面隨著頻率增加而增加，但電磁缺陷的雷達散射截面卻隨著頻率的減小而增大的，比如尖端、多繞射邊緣、二階或高階表面不連續(xù)缺陷、爬行波等的雷達散射截面與自由空間波長的平方甚至高次冪成正比，即與電磁波頻率的平方甚至高次冪成反比。因此，電磁缺陷的低頻段電磁散射貢獻遠高于高頻段。

表1 散射源散射特性與波長關系Table 1 Relationships between the scattering characteristics of electromagnetic scattering sources and wavelength

2.2 電磁缺陷修復基本方法及原理

本文探討的電磁缺陷修復基本方法及原理僅限于雷達隱身材料的應用，而外形設計、有源或無源對消技術不予考慮。

針對邊緣、尖端等表面電磁缺陷，其控制策略主要包括:用磁性類或介電類吸波涂層減小表面電流而減小行波和爬行波回波、采用阻抗?jié)u變結構(可以擴展至體邊緣)以衰減邊緣繞射回波和控制來自表面鏡面回波的旁瓣[7]。

針對縫隙類表面電磁缺陷，其散射特性具有極化敏感性，電場極化方向與縫隙長邊正交投影(只考慮窄縫隙情況)，決定了其散射特性。控制二維窄槽電磁散射，運用RAM技術受到較大局限，二維窄槽的形狀及其分布對其RCS影響很大，采用導電性好的材料填充以保證其電連續(xù)是有效控制其散射的最佳方法[8]。

3 電磁缺陷修復材料

3.1 磁性材料

表面波是邊緣、縫隙等表面電磁缺陷重要的散射機制，表面波傳輸至邊緣、縫隙、幾何突變等表面電磁缺陷，會產(chǎn)生強的回波貢獻于后向散射，根據(jù)電磁波傳輸互易性，平面波入射到表面電磁缺陷將產(chǎn)生表面波。磁性材料作為表面電磁缺陷修復材料中重要的一類材料，主要目的在于將表面波到達表面電磁缺陷之前盡可能衰減吸收。

Collin[9]發(fā)現(xiàn)感性阻抗表面只能傳輸磁場平行于表面的這種極化的束縛波。金屬表面其感抗和電阻相等，其表面電阻很低，則表面行波衰減可以忽略，在遇到邊緣等表面電磁缺陷會對RCS產(chǎn)生貢獻。Stratton[10]所研究的表面涂覆要求該涂層能支持該行波傳輸，然后提供顯著的衰減。針對表面波在高損耗材料中的傳輸問題，Ufimtsev[11－13]團隊開展了系列工作，對表面波衰減、群速、相速、表面阻抗等基本特性詳細分析。

虛擬兩種材料，二者折射率相等，介電常數(shù)與磁導率滿足對偶性，考察厚度為0.5 mm時表面波衰減特性，如圖3所示。從圖3中可以看出，隱身材料表面波衰減系數(shù)包括磁損耗機制和電損耗機制，其中磁損耗機制占主導地位。磁性材料或者包括磁損耗的復合材料是薄層應用中表面波吸波材料的最佳選擇。

圖3 0.5 mm厚兩種材料表面波衰減特性Fig.3 Surface waves attenuation properties of two typical materials with the same thickness of 0.5 mm

本課題組在磁性材料的研究方面做了大量工作[14－18]，特別在微波吸收特性方面的研究取得了較大進展，推動了磁性材料在微波領域的發(fā)展。

3.2 導電材料

考慮一個二維窄縫隙模型[19]，采用填充材料的方法以減縮其RCS，填充材料的表面阻抗特性與其散射特性密切相關，圖4給出了寬度為2 mm，深度為1.5 mm的縫隙填充材料表面方阻與其散射特性的關系圖。

從圖4中看出，填充材料表面阻抗越小，被加載縫隙后向散射貢獻越小。而且，當表面阻抗大于3 Ω/◇，對縫隙散射減縮基本不起作用。

導電類材料在窄縫隙類表面電磁缺陷修復中占重要地位，通過導電材料加載保證其電連續(xù)，達到電磁中斷修復的目的。該材料在應用中主要解決電特性與機械力學環(huán)境性能之間的矛盾。

針對此問題本課題組開展了系列工作[20－21]。主要從提高電導率的同時保證力學環(huán)境性能的角度出發(fā)，研究化學官能團特性以及包覆技術等，取得了一定成果。

3.3 漸變阻抗材料

圖4 填充材料表面阻抗特性與其散射特性關系Fig.4 Relationship between the surface resistance properties of filling materials with the scattering of the considered groove

漸變阻抗材料本質(zhì)上是通過阻抗的漸變實現(xiàn)其表面電流的漸變，而且，在繞射機制中可以將一個強繞射源分解為許多弱的繞射源達到減縮后向散射的目的。

薄層阻抗材料表面阻抗?jié)M足:R=1/(σt)，式中R表示材料表面阻抗，σ表示材料的電導率，t表示材料厚度。基于此，要實現(xiàn)漸變阻抗，可通過變電導率和變材料厚度的方法實現(xiàn)，但是，在加載目標與其環(huán)境有限加載空間內(nèi)實現(xiàn)阻抗平滑過渡達到散射控制的目的，則需要阻抗變化從幾Ω/◇到幾千Ω/◇，通過變材料厚度的方法實現(xiàn)需要其厚度從微米量級到毫米量級漸變過渡，工藝實現(xiàn)十分困難，而且臺階的引入對高頻繞射極為不利。通過變電導率的方法也不可取，工藝以及材料間匹配問題均是技術瓶頸。

頻率選擇表面是一種空間濾波器，一般由各種形狀的金屬貼片或與其互補的孔構成[22]?；凇癇abinet”原理，一個陣列的反射系數(shù)等于與其互補單元陣列的傳輸系數(shù)，由此可以設計漸變阻抗。給出一個設計例子，一個方阻為300 Ω/◇的均勻阻抗材料加載漸變金屬貼片或空氣貼片(即與金屬貼片互補的孔)以獲得所需的漸變阻抗材料。

圖5給出了300 Ω/◇的均勻阻抗材料通過加載周期PEC貼片和空氣貼片(即孔)其等效表面電流特性[23－24]。從圖5中可以看出，通過選擇貼片尺寸與單元尺寸比的關系，可以實現(xiàn)任意等效電流分布。

圖5 加載周期性PEC和空氣貼片的電阻條上等效表面電流特性Fig.5 Equivalent surface current of the resistive sheet incorporated with periodic PEC and air patches

本文為了說明漸變阻抗材料在電磁缺陷修復中的重要作用，主要給出了漸變阻抗加載控制邊緣散射的情況。圖6給出了研究邊緣散射控制的物理模型，其中圖6a為原始目標，作為邊緣散射控制的基準。圖6b給出了邊緣鋸齒化減縮邊緣散射的方法，該法為傳統(tǒng)方法，鋸齒長和鋸齒角的選取基于文獻[25]研究成果。圖6c給出了本研究小組的研究成果，即漸變阻抗加載。

圖6 各種邊緣處理的物理模型((a)直邊緣(未處理);(b)邊緣鋸齒化;(c)漸進阻抗加載)Fig.6 Topology of several methods for controlling edge scattering((a)line edge，(b)serrated edge，and(c)tapered impedance loaded edge)

圖7 和圖8分別給出了方位角為0°下水平極化和垂直極化的后向散射特性，研究頻率為7 GHz，在本研究過程中水平極化和垂直極化定義為電場極化方向與入射面分別平行和垂直的情況[26]。

從圖7可知，對于水平極化而言，無論是漸變阻抗加載還是邊緣鋸齒化均是后緣加載有效，即從觀察角來考慮RCS有效減縮發(fā)生在－90°～0°角域，與理論相符合的。但要注意的是，當考慮電場極化方向與邊緣的關系，這里剛好是垂直于邊緣，即相對邊緣來講應該是垂直極化后緣加載有效，與工程應用對應。對于水平極化電磁散射特性分析中主要考慮該觀察角域的情況。

從圖7中看出漸變阻抗加載和邊緣鋸齒化在觀察角－75°～－15°之間平均RCS減縮分別為25 dB和20 dB，漸變阻抗加載取得的RCS減縮效果略優(yōu)于傳統(tǒng)的邊緣鋸齒化情況。雖然從阻抗加載和邊緣鋸齒化的設計理論知道后緣加載無效，但是從圖7可知，對前緣的情況仍然具有一定的RCS減縮效果。

圖8給出了邊緣處理前后目標體垂直極化電磁散射特性曲線，同時也給出了改變方位角后邊緣處理前后目標體電磁散射情況。從圖8可以看出對于垂直極化前緣加載有效，同樣需要引起注意的是，當考慮電場極化方向與邊緣的情況應該是水平極化，即相對邊緣來講是水平極化前緣加載有效，與阻抗加載技術抑制邊緣散射的理論相符合。

圖7 7GHz邊緣處理前后目標體水平極化電磁散射特性Fig.7 EM back-scattering for HH-polarization for 0°azimuth angular at 7 GHz

圖8 7GHz邊緣處理前后目標體垂直極化電磁散射特性Fig.8 EM back-scattering for VV-polarization for 0°azimuth angular at 7 GHz

從圖8可以知道漸變阻抗加載和邊緣鋸齒化在15°～90°觀察角域內(nèi)平均RCS減縮分別為25 dB和20 dB，漸變阻抗加載技術取得的RCS減縮效果略優(yōu)于傳統(tǒng)邊緣鋸齒化情況。當觀察角在－90°～－65°時邊緣鋸齒化出現(xiàn)RCS增強，但漸變阻抗加載仍具有平均約5 dB的RCS減縮。

由上可知，漸變阻抗材料在邊緣散射控制方面具有優(yōu)勢，無論垂直極化還是水平極化均取得了很好的效果。

在后期的研究中，對漸變阻抗材料在邊緣散射控制方面的寬頻寬角特性進行了研究，而且，通過不斷完善制備工藝，使?jié)u變阻抗材料進一步研究得到了保障。

4 結語

以上分析了表面電磁缺陷的基本概念及其散射控制基本原理，對電磁缺陷修復材料進行了概括，重點闡述了漸變阻抗材料在電磁缺陷修復中的應用，給出了本實驗室的相關研究成果。

表面電磁缺陷修復材料主要包括磁性材料、導電材料和漸變阻抗材料。在隱身材料薄層應用中，磁性材料是表面波吸收材料的最佳選擇，在后向散射控制材料研究中占主導地位。導電材料主要應用于窄縫隙類電磁缺陷的修復，在應用中主要解決材料電性能與力學環(huán)境性能之間的矛盾。漸變阻抗材料是解決邊緣類表面電磁缺陷的最佳手段，通過漸變阻抗材料，實現(xiàn)加載目標與其周圍環(huán)境間阻抗匹配，將一個強的散射中心分解為多個次弱散射中心，達到后向散射控制的目的。

通過電磁缺陷材料加載，可以對電磁散射領域的電磁缺陷散射進行有效控制，從而達到后向散射減縮的目的;在電磁輻射領域，通過電磁缺陷修復材料加載可以改善天線方向圖及其增益等。因此，電磁缺陷修復材料的研究推動電磁散射和電磁輻射領域的發(fā)展。

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