陳海燕，謝建良，周佩珩，陸海鵬，鄧龍江

(電子科技大學(xué)國(guó)家電磁輻射控制材料工程技術(shù)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(shù)特征之一[1]。雷達(dá)系統(tǒng)是軍事系統(tǒng)領(lǐng)域迄今為止最為有效的目標(biāo)探測(cè)工具，它根據(jù)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的散射特性判定目標(biāo)的性質(zhì)。雷達(dá)隱身技術(shù)成為最重要的一類技術(shù)，得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，并取得了飛速發(fā)展。目前隱身技術(shù)主要手段包括:外形隱身，雷達(dá)吸波材料RAM(Radar Absorbing Materials)的應(yīng)用，有源對(duì)消和無(wú)源對(duì)消[2]。隨著雷達(dá)隱身技術(shù)的發(fā)展，飛行器雷達(dá)艙、座艙、進(jìn)氣道等強(qiáng)散射源得到了有效控制[3]，這時(shí)，飛行器表面結(jié)構(gòu)大量存在的縫隙、臺(tái)階、以及不可避免的邊緣等弱散射源的隱身問(wèn)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(biāo)的設(shè)計(jì)中，已對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)隱身，有效抑制了鏡面、角體等強(qiáng)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(jī)F22存在大量的表面電磁缺陷[5]，如圖2所示。因此，對(duì)邊緣、縫隙、材料突變等表面電磁缺陷的散射機(jī)理及其后向RCS減縮是進(jìn)一步提高目標(biāo)隱身特性的重要研究方向。

圖1 典型電磁缺陷結(jié)構(gòu)(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(jī)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(guān)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(zhǎng)(頻率)之間的關(guān)系[6]，如表1所示。來(lái)自鏡面的強(qiáng)散射源，其雷達(dá)散射截面隨著頻率增加而增加，但電磁缺陷的雷達(dá)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(dá)散射截面與自由空間波長(zhǎng)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(xiàn)遠(yuǎn)高于高頻段。

表1 散射源散射特性與波長(zhǎng)關(guān)系Table 1 Relationships between the scattering characteristics of electromagnetic scattering sources and wavelength

2.2 電磁缺陷修復(fù)基本方法及原理

本文探討的電磁缺陷修復(fù)基本方法及原理僅限于雷達(dá)隱身材料的應(yīng)用，而外形設(shè)計(jì)、有源或無(wú)源對(duì)消技術(shù)不予考慮。

針對(duì)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(jié)構(gòu)(可以擴(kuò)展至體邊緣)以衰減邊緣繞射回波和控制來(lái)自表面鏡面回波的旁瓣[7]。

針對(duì)縫隙類表面電磁缺陷，其散射特性具有極化敏感性，電場(chǎng)極化方向與縫隙長(zhǎng)邊正交投影(只考慮窄縫隙情況)，決定了其散射特性?？刂贫S窄槽電磁散射，運(yùn)用RAM技術(shù)受到較大局限，二維窄槽的形狀及其分布對(duì)其RCS影響很大，采用導(dǎo)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(fù)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(jī)制，表面波傳輸至邊緣、縫隙、幾何突變等表面電磁缺陷，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的回波貢獻(xiàn)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(fù)材料中重要的一類材料，主要目的在于將表面波到達(dá)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(chǎng)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(huì)對(duì)RCS產(chǎn)生貢獻(xiàn)。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(duì)表面波在高損耗材料中的傳輸問(wèn)題，Ufimtsev[11－13]團(tuán)隊(duì)開展了系列工作，對(duì)表面波衰減、群速、相速、表面阻抗等基本特性詳細(xì)分析。

虛擬兩種材料，二者折射率相等，介電常數(shù)與磁導(dǎo)率滿足對(duì)偶性，考察厚度為0.5 mm時(shí)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(jī)制和電損耗機(jī)制，其中磁損耗機(jī)制占主導(dǎo)地位。磁性材料或者包括磁損耗的復(fù)合材料是薄層應(yīng)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(jìn)展，推動(dòng)了磁性材料在微波領(lǐng)域的發(fā)展。

3.2 導(dǎo)電材料

考慮一個(gè)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(guān)，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(guān)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(xiàn)越小。而且，當(dāng)表面阻抗大于3 Ω/◇，對(duì)縫隙散射減縮基本不起作用。

導(dǎo)電類材料在窄縫隙類表面電磁缺陷修復(fù)中占重要地位，通過(guò)導(dǎo)電材料加載保證其電連續(xù)，達(dá)到電磁中斷修復(fù)的目的。該材料在應(yīng)用中主要解決電特性與機(jī)械力學(xué)環(huán)境性能之間的矛盾。

針對(duì)此問(wèn)題本課題組開展了系列工作[20－21]。主要從提高電導(dǎo)率的同時(shí)保證力學(xué)環(huán)境性能的角度出發(fā)，研究化學(xué)官能團(tuán)特性以及包覆技術(shù)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(guān)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(guò)阻抗的漸變實(shí)現(xiàn)其表面電流的漸變，而且，在繞射機(jī)制中可以將一個(gè)強(qiáng)繞射源分解為許多弱的繞射源達(dá)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(dǎo)率，t表示材料厚度?；诖耍獙?shí)現(xiàn)漸變阻抗，可通過(guò)變電導(dǎo)率和變材料厚度的方法實(shí)現(xiàn)，但是，在加載目標(biāo)與其環(huán)境有限加載空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗平滑過(guò)渡達(dá)到散射控制的目的，則需要阻抗變化從幾Ω/◇到幾千Ω/◇，通過(guò)變材料厚度的方法實(shí)現(xiàn)需要其厚度從微米量級(jí)到毫米量級(jí)漸變過(guò)渡，工藝實(shí)現(xiàn)十分困難，而且臺(tái)階的引入對(duì)高頻繞射極為不利。通過(guò)變電導(dǎo)率的方法也不可取，工藝以及材料間匹配問(wèn)題均是技術(shù)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(bǔ)的孔構(gòu)成[22]?；凇癇abinet”原理，一個(gè)陣列的反射系數(shù)等于與其互補(bǔ)單元陣列的傳輸系數(shù)，由此可以設(shè)計(jì)漸變阻抗。給出一個(gè)設(shè)計(jì)例子，一個(gè)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(bǔ)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(guò)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(guò)選擇貼片尺寸與單元尺寸比的關(guān)系，可以實(shí)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(shuō)明漸變阻抗材料在電磁缺陷修復(fù)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(biāo)，作為邊緣散射控制的基準(zhǔn)。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(zhǎng)和鋸齒角的選取基于文獻(xiàn)[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(jìn)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(guò)程中水平極化和垂直極化定義為電場(chǎng)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(duì)于水平極化而言，無(wú)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(lái)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(dāng)考慮電場(chǎng)極化方向與邊緣的關(guān)系，這里剛好是垂直于邊緣，即相對(duì)邊緣來(lái)講應(yīng)該是垂直極化后緣加載有效，與工程應(yīng)用對(duì)應(yīng)。對(duì)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(shè)計(jì)理論知道后緣加載無(wú)效，但是從圖7可知，對(duì)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(biāo)體垂直極化電磁散射特性曲線，同時(shí)也給出了改變方位角后邊緣處理前后目標(biāo)體電磁散射情況。從圖8可以看出對(duì)于垂直極化前緣加載有效，同樣需要引起注意的是，當(dāng)考慮電場(chǎng)極化方向與邊緣的情況應(yīng)該是水平極化，即相對(duì)邊緣來(lái)講是水平極化前緣加載有效，與阻抗加載技術(shù)抑制邊緣散射的理論相符合。

圖7 7GHz邊緣處理前后目標(biāo)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(biāo)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(shù)取得的RCS減縮效果略優(yōu)于傳統(tǒng)邊緣鋸齒化情況。當(dāng)觀察角在－90°～－65°時(shí)邊緣鋸齒化出現(xiàn)RCS增強(qiáng)，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(shì)，無(wú)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(duì)漸變阻抗材料在邊緣散射控制方面的寬頻寬角特性進(jìn)行了研究，而且，通過(guò)不斷完善制備工藝，使?jié)u變阻抗材料進(jìn)一步研究得到了保障。

4 結(jié)語(yǔ)

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(duì)電磁缺陷修復(fù)材料進(jìn)行了概括，重點(diǎn)闡述了漸變阻抗材料在電磁缺陷修復(fù)中的應(yīng)用，給出了本實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)研究成果。

表面電磁缺陷修復(fù)材料主要包括磁性材料、導(dǎo)電材料和漸變阻抗材料。在隱身材料薄層應(yīng)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(dǎo)地位。導(dǎo)電材料主要應(yīng)用于窄縫隙類電磁缺陷的修復(fù)，在應(yīng)用中主要解決材料電性能與力學(xué)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(guò)漸變阻抗材料，實(shí)現(xiàn)加載目標(biāo)與其周圍環(huán)境間阻抗匹配，將一個(gè)強(qiáng)的散射中心分解為多個(gè)次弱散射中心，達(dá)到后向散射控制的目的。

通過(guò)電磁缺陷材料加載，可以對(duì)電磁散射領(lǐng)域的電磁缺陷散射進(jìn)行有效控制，從而達(dá)到后向散射減縮的目的;在電磁輻射領(lǐng)域，通過(guò)電磁缺陷修復(fù)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(fù)材料的研究推動(dòng)電磁散射和電磁輻射領(lǐng)域的發(fā)展。

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