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        電磁超材料在超寬帶雷達隱身微小衛(wèi)星設(shè)計中的應(yīng)用

        2021-08-13 00:29:22孔祥鯤孔令奇姜順流胡豪斌
        宇航學(xué)報 2021年6期
        關(guān)鍵詞:單站吸波超寬帶

        孔祥鯤,孔令奇,姜順流,胡豪斌,張 翔

        (1. 南京航空航天大學(xué)雷達成像與微波光子技術(shù)教育部重點實驗室,南京 210016; 2. 南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,南京 210094)

        0 引 言

        隨著現(xiàn)代各種光電磁探測技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)通信衛(wèi)星收到的威脅越來越嚴重。隱身衛(wèi)星的研制對于反敵方探測和監(jiān)視具有重要意義,日益引起世界各國的普遍重視[1-3]。美國將隱身技術(shù)列為國防三大高技術(shù)之一,給予高度關(guān)注。

        雷達主要工作在3 MHz~300 GHz,其中2~18 GHz頻段的S、C、X、Ku波段是重要的雷達探測波段,也是世界各國力求突破的超寬頻帶雷達隱身頻段。美國自20世紀60年代以來一直開展隱身衛(wèi)星的研究,先后研制出雷達隱身外形RCA(Radar Camouflage Arrangement),太空吸波結(jié)構(gòu)SES(Self Erectable Structure),有效遮擋外形CSASS (Crossed Skirt Antiradar Screen Structure),衛(wèi)星隱身外形SSSS(Satellite Signature Suppression Shield)以及“朦朧系列”隱身衛(wèi)星。可以看到,目前雷達隱身研究和試驗的手段大體分為被動隱身和主動隱身兩類,以降低衛(wèi)星雷達散射截面(Radar Cross-Section,RCS)為目的,實現(xiàn)的主要途徑有:(1)衛(wèi)星低RCS結(jié)構(gòu)設(shè)計;(2)衛(wèi)星表面材料設(shè)計。其中衛(wèi)星表面材料設(shè)計往往采用吸波材料和漫反射材料,達到RCS縮減的目的,它因為不改變或者極少改變衛(wèi)星的設(shè)計外形顯示出巨大優(yōu)勢。但是采用傳統(tǒng)的吸波材料,往往產(chǎn)生吸波頻帶窄、體積大、材料重、吸波性能有限等缺陷,不能滿足“薄、輕、寬、強”的性能要求,其在微小衛(wèi)星隱身領(lǐng)域存在應(yīng)用局限。

        電磁超材料(Metamaterial)是21世紀以來出現(xiàn)的一類新材料,其具備天然材料所不具備的特殊電磁特性,而且這些性質(zhì)主要來自人工的特殊結(jié)構(gòu)而非組成的材料[4-6]。研究人員發(fā)現(xiàn),人工電磁超材料對電磁波調(diào)控能力極強,對電磁波的傳播路徑、幅度、方向、極化、相位以及頻譜都有極強的調(diào)控能力。電磁超材料吸波體的全新概念就是基于對電磁波振幅的調(diào)控,自2008年美國波士頓大學(xué)的Landy等學(xué)者提出以來[7],得到世界范圍內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。而超寬帶電磁超材料吸波體相對于傳統(tǒng)雷達吸波體,具有帶寬寬、厚度小、吸波性能強等優(yōu)勢,目前實現(xiàn)多頻或?qū)掝l的主要方法主要有:組合多個諧振結(jié)構(gòu)單元[8-10];多層諧振結(jié)構(gòu)耦合[11-13];加載集總電子元件[14-16];加載高阻表面[17-22]等。

        本文設(shè)計了兩種不同類型的電磁超材料雷達吸波體,分別適用于微小衛(wèi)星星體及太陽能電池陣受光面,達到超寬帶隱身的目的。其中適用于衛(wèi)星星體的吸波體采用多層耦合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元的小型化,結(jié)合高阻表面技術(shù),建立全方位多維度(寬角、超寬帶)耦合型吸波體實現(xiàn)2~18 GHz,覆蓋S、C、X、Ku頻段的吸波體。適用于太陽能電池陣受光面的吸波體則采用光學(xué)透明的氧化銦錫(ITO,Indium Tin Oxides)結(jié)合石英玻璃媒質(zhì)構(gòu)建單層電磁超表面,利用對電磁波極化方式的調(diào)控和吸收實現(xiàn)X、Ku頻段范圍內(nèi)的寬頻散射和吸波,達到RCS有效降低的目的。論文首先給出微小衛(wèi)星隱身設(shè)計的要求;然后根據(jù)性能要求設(shè)計衛(wèi)星星體電磁超表面多層復(fù)合結(jié)構(gòu),太陽能電池陣單層透光超表面結(jié)構(gòu)單元;優(yōu)化各層結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料電性能參數(shù);對兩種超材料樣品的吸波性能,以及衛(wèi)星整星加載吸波材料前后的單站RCS進行仿真;完成實物樣品加工后,在微波暗室系統(tǒng)中對其電性能進行測試比對,驗證實驗樣品的隱身性能。

        1 微小衛(wèi)星隱身材料設(shè)計要求

        1.1 星體及太陽能電池陣背光面隱身材料設(shè)計要求

        微小衛(wèi)星星體及太陽能電池陣被光面相對平整,但面積有限。需要在有限的表面足夠多的排布超材料的周期結(jié)構(gòu)單元,因此結(jié)構(gòu)單元具有小型化的結(jié)構(gòu)特點。針對2~18 GHz的主要雷達探測波段,需要實現(xiàn)寬頻帶的吸波性能,吸波效率達到90%以上的頻帶覆蓋S、C、X、Ku波段;同時衛(wèi)星對地姿態(tài)具有不確定性,因而吸波頻帶需要同時滿足大角度入射條件下,吸收或者散射電磁波效果顯著。

        在實際工程應(yīng)用中,由于隱身材料需要安裝在星體表面,需要一定的結(jié)構(gòu)強度,但又不能重量過重導(dǎo)致載荷增加過多,材料重量不大于10 kg/m2。為了不影響星體的結(jié)構(gòu)和形狀,材料厚度需要控制在15 mm以內(nèi)。此外,為了克服外太空原子氧對電磁超材料結(jié)構(gòu)的剝蝕,需要對材料表面結(jié)構(gòu)進行保護,并且考慮隱身材料同其下層的絕熱材料裝配結(jié)合。

        1.2 太陽能電池陣正面隱身材料設(shè)計要求

        太陽能電池陣是衛(wèi)星工作的主要能量來源,隱身材料的設(shè)計必須在滿足寬帶低散射的同時保持電池陣受光面具有高透光率。需要解決利用透光材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)低散射材料的問題,同時滿足寬帶、小型化、結(jié)構(gòu)強度、抗原子氧剝蝕、重量限制等要求。

        1.3 技術(shù)難點

        該微小衛(wèi)星隱身材料的設(shè)計技術(shù)難點包括以下幾點:(1)需要針對超寬帶吸波帶寬,建立耦合型吸波結(jié)構(gòu)電磁參數(shù)模型和表征方法,構(gòu)建吸波及散射性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案;(2)應(yīng)用寬頻吸波器傳輸線模型的建模仿真和參數(shù)優(yōu)化方法,得到吸收率大于90%條件下,帶寬增加的實現(xiàn)方式;(3)為了提高隱身材料的結(jié)構(gòu)強度、抗原子氧剝蝕能力,降低多層耦合材料厚度,需要將結(jié)構(gòu)強度材料、層間粘合膠膜和結(jié)構(gòu)保護材料綜合考慮,聯(lián)合仿真;(4)需要將光學(xué)透明的ITO取代傳統(tǒng)金屬諧振結(jié)構(gòu),結(jié)合高透光玻璃,實現(xiàn)超寬帶低散射單層ITO結(jié)構(gòu)電磁超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計;(5)由于受光面低散射材料需要較高的透光率,因此不能采用多層ITO結(jié)構(gòu)設(shè)計達到帶寬拓展的目的,對帶寬拓展有較大限制;(6)由于衛(wèi)星姿態(tài),探測方向的不確定性,兩類吸波結(jié)構(gòu)需要實現(xiàn)大角度范圍內(nèi)吸波性能較好,吸波頻帶不能隨角度有過大的波動。

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析

        2.1 多層結(jié)構(gòu)超寬帶吸波體設(shè)計與性能分析

        為了實現(xiàn)2~18 GHz超寬帶范圍內(nèi)電磁波的吸收,本文采用等效電路理論分析方法和阻抗分析方法。先分析多層超材料需要滿足的諧振特點、諧振頻率以及阻抗特性,再尋找滿足該諧振特性的結(jié)構(gòu)與它對應(yīng),最終通過優(yōu)化確定各層結(jié)構(gòu)參數(shù)。這里采用材料電磁損耗較大的環(huán)氧樹脂玻璃纖維板(FR-4,介電常數(shù)ε=4.4,損耗正切角tanδ=0.02)作為結(jié)構(gòu)附著基底層,具有一定阻值的高阻碳漿構(gòu)建結(jié)構(gòu)層,其方阻值為50Ω/m2。理想電性能超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖及三維空間分布圖如圖1所示。單元尺寸參數(shù)為p=11 mm,a=9.8 mm,b1=2.3 mm,b2=9 mm,c=10 mm,d1=0.3 mm,d2=d3=1 mm,h1=4 mm,h2=2 mm,h3=3.4 mm。

        圖1 理想電性能超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the proposed metamaterial absorber

        由于微小衛(wèi)星發(fā)射后工作于外太空,除了具備一定的隱身性能以外,還需要具備在外太空惡劣條件下依舊能正常工作的能力,因此相對于傳統(tǒng)的超材料吸波體,本文所提出的電磁超材料吸波體,在結(jié)構(gòu)方面進行了一定的改進。如圖1所示,為了保證該超材料具有一定的結(jié)構(gòu)強度,本文引入了芳綸紙蜂窩夾芯板替換傳統(tǒng)吸波體中的空氣層,為了使各層吸波層能夠緊密連結(jié),加入了膠膜并對超材料吸波體進行高溫壓合以增加結(jié)構(gòu)強度和隔絕空氣。同時,為了使超材料吸波體能夠抵抗外太空原子氧對表面結(jié)構(gòu)的剝蝕,在每層印刷電阻墨水的吸波層表面貼覆了聚酰亞胺膜(PI膜,介電常數(shù)ε=3.5,損耗正切角tanδ=0.0027)。

        圖2 垂直入射條件下,反射率和吸波率曲線Fig.2 Simulated reflectivity and absorptivity spectra of the metamaterial absorber under normal incidence

        2.2 透光型混合結(jié)構(gòu)寬帶吸波體設(shè)計與性能分析

        為保證所設(shè)計的隱身結(jié)構(gòu)具有良好的光透性,讓太陽能電池陣能夠正常工作,在仿真優(yōu)化中始終保持只使用1層ITO膜作為單元結(jié)構(gòu)。如圖3所示,所設(shè)計的可見光透明隱身結(jié)構(gòu)主要由三層結(jié)構(gòu)層疊而成。最上層和底層分別為2 mm和1.1 mm厚的高透光玻璃,這兩層玻璃中間由材質(zhì)為ITO的單元結(jié)構(gòu)周期性排列而成,其中ITO層的方阻值為25Ω/m2。如圖3所示,中間層的單元結(jié)構(gòu)由一個圓形ITO結(jié)構(gòu)和一對長度不相等的弧形ITO結(jié)構(gòu)組成,單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下:a=b=7.5 mm,w1=2.4 mm,w2=2.6 mm,R1=R2=3.7 mm,R3=0.8 mm,α=125°,β=195°。由于該隱身結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太陽能電池陣表面上,經(jīng)測試,該太陽能電池陣可做金屬背板使用。因此設(shè)計的透光隱身結(jié)構(gòu)為反射型。仿真中,我們直接用太陽能電池陣代替金屬背板置于整個隱身超表面結(jié)構(gòu)的底部。

        圖3 透明超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Configuration of the unit-cell of the proposed metamaterial absorber with high opticaltransparency

        借助于CST微波工作室,對所設(shè)計的光透隱身超表面的單元結(jié)構(gòu)進行仿真。獲得的共極化與交叉極化反射系數(shù)如圖4所示。可以看出,7.0 GHz至17.6 GHz頻段范圍內(nèi),共極化反射系數(shù)值和交叉極化反射系數(shù)值均在-10 dB以下。在7~18 GHz頻段內(nèi),水平(或垂直)極化的平面波垂直入射時,有一小部分入射波發(fā)生了極化轉(zhuǎn)換,有很大一部分入射波被吸收掉,而反射的電磁波能量極少。通過計算,光學(xué)透明隱身超表面的吸波率如圖4所示,在7~18 GHz頻段范圍內(nèi),吸波率均達到80%以上,在11.2~17.4 GHz內(nèi),吸波率可以達到90%。達到隱身頻段覆蓋X和Ku波段的設(shè)計目標(biāo)。

        圖4 垂直入射條件下共極化和交叉極化反射系數(shù)Fig.4 Co-polarized and cross-polarized reflection spectra of transparent absorbers under normal incidence

        2.3 衛(wèi)星整體加載隱身材料單站RCS分析

        為研究整星加載超表面前后的隱身效果,建立簡化后的衛(wèi)星模型,設(shè)置平面波入射,仿真未鋪有超表面和有超表面覆層的雙站RCS。為了對比顯示出超表面的隱身作用,只在衛(wèi)星正面涂有吸波覆層,而在衛(wèi)星背面無覆層。衛(wèi)星在6 GHz頻率平面波入射條件下的雙站RCS如圖5所示,(b)圖中涂有高阻表面一側(cè)的RCS與(a)圖中金屬的相比有明顯的縮減,這充分說明了超表面可以較好地實現(xiàn)衛(wèi)星RCS縮減的目的。

        圖5 6 GHz頻點處整星雙站RCSFig.5 Bistatic RCS patterns at 6 GHz for the whole satellite

        另外,我們還仿真了在不同頻點處,衛(wèi)星的xoz面和yoz面內(nèi)的單站RCS縮減情況,圖6給出了單站RCS掃描平面示意圖。利用CST微波工作室中的多層快速多極子求解算法(MLFMM)來計算2 GHz, 6 GHz和12 GHz時,在φ=0 (即xoz面內(nèi))和90°(即yoz面)面內(nèi)不同入射角度下的單站RCS,

        圖6 單站RCS掃描平面示意圖Fig.6 Schematic of the monostatic RCS scanning plane

        如圖7所示??梢钥闯鐾坑懈咦璞砻娴男l(wèi)星的RCS在絕大部分角度下的單站RCS都遠小于全金屬表面衛(wèi)星的RCS,表明超材料覆層可以在寬頻帶內(nèi)有效地降低單站和雙站RCS,極大地提高衛(wèi)星的隱身性能。由圖7還可以篩查出RCS縮減明顯的角度范圍,為衛(wèi)星對地姿態(tài)的調(diào)制提供依據(jù)。由圖8給出的衛(wèi)星整星單站RCS縮減頻譜可知,在1~20 GHz的頻帶范圍內(nèi),單站RCS縮減平均值能達到18 dB。當(dāng)然,以上仿真數(shù)據(jù)獲得的前提是衛(wèi)星模型簡化,表面特別平整,不考慮吸波材料分布不均勻,是一種極其理想的情況,具體工程實際中會有一定偏差。

        圖7 衛(wèi)星被電磁超表面覆蓋前后計算的單站RCS對比Fig.7 Comparison of the monostatic RCS obtained by simulation before and after satellites are covered by metasurface

        圖8 單站RCS縮減效果Fig.8 The effect of the monostatic RCS reduction

        3 隱身材料加工樣件與電性能測試

        3.1 多層結(jié)構(gòu)超寬帶吸波體性能測試與比對

        為了通過實驗進一步驗證所涉及的電磁超材料吸波體的電磁性能,加工出的復(fù)合電磁超材料吸波體樣件實物如圖9所示,實物樣件每層的單元結(jié)構(gòu)數(shù)為30×30,邊長為330 mm×330 mm,整體厚度為11.5 mm。在每層吸波層加工了4個定位孔,以便于保證每層單元結(jié)構(gòu)縱向上一一對應(yīng)。同時,表面貼覆PI膠膜且加入芳綸紙蜂窩夾芯板的效果如圖9所示,PI膜厚度僅為0.03 mm。,可見芳綸紙蜂窩不僅保證了吸波材料的結(jié)構(gòu)強度,還保證了吸波層介質(zhì)基板的平整性,增強了電磁超材料吸波體電磁性能的穩(wěn)定性。

        圖9 電磁超材料實物圖Fig.9 Sample of the metamaterial

        圖10 測試與仿真結(jié)果比對Fig.10 Comparison of test and simulation results

        該吸波材料的彎曲剛度經(jīng)測試為1.9×106N·mm,密度6.3 kg/m2,可通過預(yù)埋固定件裝配衛(wèi)星。樣件的導(dǎo)熱系數(shù)10-5W/(m·K),相當(dāng)于15層隔熱多層材料,整體厚度小于12 mm。由于高阻碳漿結(jié)構(gòu)表面均覆蓋了PI膜,所以可以有效抵御外太空原子氧的剝蝕。

        3.2 透光型混合結(jié)構(gòu)寬帶吸波性能測試與比對

        透光型混合結(jié)構(gòu)構(gòu)建的超材料樣品如圖11(a)所示。周期性ITO結(jié)構(gòu)通過激光蝕刻技術(shù)噴鍍在玻璃上,加工精度最小為10 μm。超薄層光學(xué)透明粘合劑用于粘合上下玻璃板以保證優(yōu)異的透光性能。所加工的實物尺寸為300×300 mm,與提供的太陽能電池陣樣件配合使用。如圖11(b)所示,光學(xué)透過率通過透光率測試儀(LH-221)進行測量,該儀器透光率偏差小于1%。通過隨機選取多點測量,樣品整體的可見光透光率在80%以上,而紅外和紫外光的透光率低于70%。在可見光波段內(nèi),平均透光率可達到83.8%,最高透光率可達到87.6%。

        圖11 透光型吸波體樣品及透光率測試圖Fig.11 The absorber sample with high optical transparency and transmittance test

        采用和多層結(jié)構(gòu)超寬帶吸波體相同的測試環(huán)境,樣品的吸波性能可以通過自由空間法測量反射系數(shù)表征。圖12顯示了透光型吸波超材料樣品在6~18 GHz范圍內(nèi)的測量共極化反射系數(shù)。由測試數(shù)據(jù)可以看出,樣品在7~18 GHz范圍內(nèi)獲得了較大吸收率,在正入射條件下吸波率大于87%。仿真和測量的吸收帶寬之間的微小偏差主要是由于制造和組裝公差、測量誤差以及ITO表面電阻的不確定性引起的。仔細比對實驗與仿真結(jié)果,會發(fā)現(xiàn)實驗獲得的吸波率較仿真值有輕微下降,但諧振頻點兩者吻合良好,證明了本文提出的吸波體方法是可行的,在實際應(yīng)用中確實可以高效地減少后向反射,顯示出對太陽能電池陣受光面單站RCS縮減的潛力,同時保證了高透光性,確保太陽能電池陣主要性能的穩(wěn)定。該吸波材料密度為7.7 kg/m2,整體厚度3.1 mm。

        圖12 測試與仿真結(jié)果比對Fig.12 Comparison of test and simulation results

        4 結(jié) 論

        本文針對微小衛(wèi)星在雷達頻段面臨的寬帶隱身問題,提出利用電磁超材料實現(xiàn)微小衛(wèi)星隱身的方案,設(shè)計了兩種不同類型的電磁超材料雷達吸波體。其中多層結(jié)構(gòu)超寬帶吸波體適用于微小衛(wèi)星星體及太陽能電池陣背光面,工作頻帶覆蓋S、C、X、Ku頻段;透光型混合結(jié)構(gòu)寬帶吸波體適用于衛(wèi)星電池陣受光面,隱身頻帶覆蓋X、Ku頻段,同時滿足高透光型的要求。樣件及整星的仿真和實驗結(jié)果表明,利用電磁超材料構(gòu)建的雷達吸波體可以實現(xiàn)超寬頻帶電磁波的有效吸收,達到衛(wèi)星整星RCS縮減的目的,隱身性能良好。該材料不論是機械強度、密度、透光性、還是抗原子氧剝蝕能力都具備潛在的工程應(yīng)用價值。

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