电磁缺陷修复材料研究进展

陈海燕，谢建良，周佩珩，陆海鹏，邓龙江

(电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心，四川成都610054)

1 前言

隐身能力是新一代作战飞行器最重要的技术特征之一[1]。雷达系统是军事系统领域迄今为止最为有效的目标探测工具，它根据目标对雷达波的散射特性判定目标的性质。雷达隐身技术成为最重要的一类技术，得到了世界各国的广泛关注，并取得了飞速发展。目前隐身技术主要手段包括:外形隐身，雷达吸波材料RAM(Radar Absorbing Materials)的应用，有源对消和无源对消[2]。随着雷达隐身技术的发展，飞行器雷达舱、座舱、进气道等强散射源得到了有效控制[3]，这时，飞行器表面结构大量存在的缝隙、台阶、以及不可避免的边缘等弱散射源的隐身问题凸显，占总体散射的比重大大增加。这些弱散射源如不加以控制，极大限制了极低RCS(Radar Cross Section)装备的研制。

2 基本定义

2.1 电磁缺陷

电磁缺陷被定义为在几何上或电特性上的任何突变[4]，主要包括边缘、缝隙、材料突变等，典型的电磁缺陷如图1所示。目前飞行器等隐身目标的设计中，已对目标进行了优化的结构隐身，有效抑制了镜面、角体等强散射源散射，而边缘、缝隙、材料突变等表面电磁缺陷这样的次散射源占总体散射比重大大增加，且在某些极化和威胁角下的影响是非常明显的。而且表面电磁缺陷往往是隐身装备不可避免的，比如隐形战机F22存在大量的表面电磁缺陷[5]，如图2所示。因此，对边缘、缝隙、材料突变等表面电磁缺陷的散射机理及其后向RCS减缩是进一步提高目标隐身特性的重要研究方向。

图1 典型电磁缺陷结构(其中:¯Pi表示入射波，¯Ps表示散射波)Fig.1 Typical structures of electromagnetic discontinuities

图2 F22战机表面电磁缺陷Fig.2 Surface electromagnetic discontinuities of aircraft F22

散射源的散射特性与频率关系密切，G.T.Ruck编著的《Radar Cross Section Handbook》给出了各种散射源的散射特性与波长(频率)之间的关系[6]，如表1所示。来自镜面的强散射源，其雷达散射截面随着频率增加而增加，但电磁缺陷的雷达散射截面却随着频率的减小而增大的，比如尖端、多绕射边缘、二阶或高阶表面不连续缺陷、爬行波等的雷达散射截面与自由空间波长的平方甚至高次幂成正比，即与电磁波频率的平方甚至高次幂成反比。因此，电磁缺陷的低频段电磁散射贡献远高于高频段。

表1 散射源散射特性与波长关系Table 1 Relationships between the scattering characteristics of electromagnetic scattering sources and wavelength

2.2 电磁缺陷修复基本方法及原理

本文探讨的电磁缺陷修复基本方法及原理仅限于雷达隐身材料的应用，而外形设计、有源或无源对消技术不予考虑。

针对边缘、尖端等表面电磁缺陷，其控制策略主要包括:用磁性类或介电类吸波涂层减小表面电流而减小行波和爬行波回波、采用阻抗渐变结构(可以扩展至体边缘)以衰减边缘绕射回波和控制来自表面镜面回波的旁瓣[7]。

针对缝隙类表面电磁缺陷，其散射特性具有极化敏感性，电场极化方向与缝隙长边正交投影(只考虑窄缝隙情况)，决定了其散射特性。控制二维窄槽电磁散射，运用RAM技术受到较大局限，二维窄槽的形状及其分布对其RCS影响很大，采用导电性好的材料填充以保证其电连续是有效控制其散射的最佳方法[8]。

3 电磁缺陷修复材料

3.1 磁性材料

表面波是边缘、缝隙等表面电磁缺陷重要的散射机制，表面波传输至边缘、缝隙、几何突变等表面电磁缺陷，会产生强的回波贡献于后向散射，根据电磁波传输互易性，平面波入射到表面电磁缺陷将产生表面波。磁性材料作为表面电磁缺陷修复材料中重要的一类材料，主要目的在于将表面波到达表面电磁缺陷之前尽可能衰减吸收。

Collin[9]发现感性阻抗表面只能传输磁场平行于表面的这种极化的束缚波。金属表面其感抗和电阻相等，其表面电阻很低，则表面行波衰减可以忽略，在遇到边缘等表面电磁缺陷会对RCS产生贡献。Stratton[10]所研究的表面涂覆要求该涂层能支持该行波传输，然后提供显著的衰减。针对表面波在高损耗材料中的传输问题，Ufimtsev[11－13]团队开展了系列工作，对表面波衰减、群速、相速、表面阻抗等基本特性详细分析。

虚拟两种材料，二者折射率相等，介电常数与磁导率满足对偶性，考察厚度为0.5 mm时表面波衰减特性，如图3所示。从图3中可以看出，隐身材料表面波衰减系数包括磁损耗机制和电损耗机制，其中磁损耗机制占主导地位。磁性材料或者包括磁损耗的复合材料是薄层应用中表面波吸波材料的最佳选择。

图3 0.5 mm厚两种材料表面波衰减特性Fig.3 Surface waves attenuation properties of two typical materials with the same thickness of 0.5 mm

本课题组在磁性材料的研究方面做了大量工作[14－18]，特别在微波吸收特性方面的研究取得了较大进展，推动了磁性材料在微波领域的发展。

3.2 导电材料

考虑一个二维窄缝隙模型[19]，采用填充材料的方法以减缩其RCS，填充材料的表面阻抗特性与其散射特性密切相关，图4给出了宽度为2 mm，深度为1.5 mm的缝隙填充材料表面方阻与其散射特性的关系图。

从图4中看出，填充材料表面阻抗越小，被加载缝隙后向散射贡献越小。而且，当表面阻抗大于3 Ω/◇，对缝隙散射减缩基本不起作用。

导电类材料在窄缝隙类表面电磁缺陷修复中占重要地位，通过导电材料加载保证其电连续，达到电磁中断修复的目的。该材料在应用中主要解决电特性与机械力学环境性能之间的矛盾。

针对此问题本课题组开展了系列工作[20－21]。主要从提高电导率的同时保证力学环境性能的角度出发，研究化学官能团特性以及包覆技术等，取得了一定成果。

3.3 渐变阻抗材料

图4 填充材料表面阻抗特性与其散射特性关系Fig.4 Relationship between the surface resistance properties of filling materials with the scattering of the considered groove

渐变阻抗材料本质上是通过阻抗的渐变实现其表面电流的渐变，而且，在绕射机制中可以将一个强绕射源分解为许多弱的绕射源达到减缩后向散射的目的。

薄层阻抗材料表面阻抗满足:R=1/(σt)，式中R表示材料表面阻抗，σ表示材料的电导率，t表示材料厚度。基于此，要实现渐变阻抗，可通过变电导率和变材料厚度的方法实现，但是，在加载目标与其环境有限加载空间内实现阻抗平滑过渡达到散射控制的目的，则需要阻抗变化从几Ω/◇到几千Ω/◇，通过变材料厚度的方法实现需要其厚度从微米量级到毫米量级渐变过渡，工艺实现十分困难，而且台阶的引入对高频绕射极为不利。通过变电导率的方法也不可取，工艺以及材料间匹配问题均是技术瓶颈。

频率选择表面是一种空间滤波器，一般由各种形状的金属贴片或与其互补的孔构成[22]。基于“Babinet”原理，一个阵列的反射系数等于与其互补单元阵列的传输系数，由此可以设计渐变阻抗。给出一个设计例子，一个方阻为300 Ω/◇的均匀阻抗材料加载渐变金属贴片或空气贴片(即与金属贴片互补的孔)以获得所需的渐变阻抗材料。

图5给出了300 Ω/◇的均匀阻抗材料通过加载周期PEC贴片和空气贴片(即孔)其等效表面电流特性[23－24]。从图5中可以看出，通过选择贴片尺寸与单元尺寸比的关系，可以实现任意等效电流分布。

图5 加载周期性PEC和空气贴片的电阻条上等效表面电流特性Fig.5 Equivalent surface current of the resistive sheet incorporated with periodic PEC and air patches

本文为了说明渐变阻抗材料在电磁缺陷修复中的重要作用，主要给出了渐变阻抗加载控制边缘散射的情况。图6给出了研究边缘散射控制的物理模型，其中图6a为原始目标，作为边缘散射控制的基准。图6b给出了边缘锯齿化减缩边缘散射的方法，该法为传统方法，锯齿长和锯齿角的选取基于文献[25]研究成果。图6c给出了本研究小组的研究成果，即渐变阻抗加载。

图6 各种边缘处理的物理模型((a)直边缘(未处理);(b)边缘锯齿化;(c)渐进阻抗加载)Fig.6 Topology of several methods for controlling edge scattering((a)line edge，(b)serrated edge，and(c)tapered impedance loaded edge)

图7 和图8分别给出了方位角为0°下水平极化和垂直极化的后向散射特性，研究频率为7 GHz，在本研究过程中水平极化和垂直极化定义为电场极化方向与入射面分别平行和垂直的情况[26]。

从图7可知，对于水平极化而言，无论是渐变阻抗加载还是边缘锯齿化均是后缘加载有效，即从观察角来考虑RCS有效减缩发生在－90°～0°角域，与理论相符合的。但要注意的是，当考虑电场极化方向与边缘的关系，这里刚好是垂直于边缘，即相对边缘来讲应该是垂直极化后缘加载有效，与工程应用对应。对于水平极化电磁散射特性分析中主要考虑该观察角域的情况。

从图7中看出渐变阻抗加载和边缘锯齿化在观察角－75°～－15°之间平均RCS减缩分别为25 dB和20 dB，渐变阻抗加载取得的RCS减缩效果略优于传统的边缘锯齿化情况。虽然从阻抗加载和边缘锯齿化的设计理论知道后缘加载无效，但是从图7可知，对前缘的情况仍然具有一定的RCS减缩效果。

图8给出了边缘处理前后目标体垂直极化电磁散射特性曲线，同时也给出了改变方位角后边缘处理前后目标体电磁散射情况。从图8可以看出对于垂直极化前缘加载有效，同样需要引起注意的是，当考虑电场极化方向与边缘的情况应该是水平极化，即相对边缘来讲是水平极化前缘加载有效，与阻抗加载技术抑制边缘散射的理论相符合。

图7 7GHz边缘处理前后目标体水平极化电磁散射特性Fig.7 EM back-scattering for HH-polarization for 0°azimuth angular at 7 GHz

图8 7GHz边缘处理前后目标体垂直极化电磁散射特性Fig.8 EM back-scattering for VV-polarization for 0°azimuth angular at 7 GHz

从图8可以知道渐变阻抗加载和边缘锯齿化在15°～90°观察角域内平均RCS减缩分别为25 dB和20 dB，渐变阻抗加载技术取得的RCS减缩效果略优于传统边缘锯齿化情况。当观察角在－90°～－65°时边缘锯齿化出现RCS增强，但渐变阻抗加载仍具有平均约5 dB的RCS减缩。

由上可知，渐变阻抗材料在边缘散射控制方面具有优势，无论垂直极化还是水平极化均取得了很好的效果。

在后期的研究中，对渐变阻抗材料在边缘散射控制方面的宽频宽角特性进行了研究，而且，通过不断完善制备工艺，使渐变阻抗材料进一步研究得到了保障。

4 结语

以上分析了表面电磁缺陷的基本概念及其散射控制基本原理，对电磁缺陷修复材料进行了概括，重点阐述了渐变阻抗材料在电磁缺陷修复中的应用，给出了本实验室的相关研究成果。

表面电磁缺陷修复材料主要包括磁性材料、导电材料和渐变阻抗材料。在隐身材料薄层应用中，磁性材料是表面波吸收材料的最佳选择，在后向散射控制材料研究中占主导地位。导电材料主要应用于窄缝隙类电磁缺陷的修复，在应用中主要解决材料电性能与力学环境性能之间的矛盾。渐变阻抗材料是解决边缘类表面电磁缺陷的最佳手段，通过渐变阻抗材料，实现加载目标与其周围环境间阻抗匹配，将一个强的散射中心分解为多个次弱散射中心，达到后向散射控制的目的。

通过电磁缺陷材料加载，可以对电磁散射领域的电磁缺陷散射进行有效控制，从而达到后向散射减缩的目的;在电磁辐射领域，通过电磁缺陷修复材料加载可以改善天线方向图及其增益等。因此，电磁缺陷修复材料的研究推动电磁散射和电磁辐射领域的发展。

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