毫米波反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板研究

軍英

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031)

毫米波探測具有波束窄、定位精確的特點，在毫米波探測技術(shù)發(fā)展的同時，對毫米波吸收技術(shù)提出了越來越高的要求。反射率是評價毫米波吸收材料性能的主要參數(shù)，測試系統(tǒng)由信號源、收發(fā)天線、信號接收機和信號分析處理儀器等組成[1]。目前，國內(nèi)許多單位建立了反射率測試系統(tǒng)，為了保證測試準(zhǔn)確性，不僅需要對各微波設(shè)備和器件進(jìn)行校準(zhǔn)，而且還需要進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。為了滿足對毫米波涂料反射率測量系統(tǒng)進(jìn)行整體校準(zhǔn)和評價的需要，筆者研制了毫米波吸收反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板，其適用頻率為8 mm波段(26.5～40 GHz)，反射率標(biāo)稱值分別為-5 、-10 、-15 dB。該毫米波吸收反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板已經(jīng)用于專用測量設(shè)備的校準(zhǔn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)樣板制備

1.1 標(biāo)準(zhǔn)樣板配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考國內(nèi)外資料、吸收材料研制經(jīng)驗及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以金屬良導(dǎo)體為基板，運用阻抗匹配原理進(jìn)行設(shè)計計算。結(jié)果表明，在僅采用單層吸波材料的情況下，由于介電常數(shù)很高，造成阻抗與自由空間相差很大，匹配性差,大部分電磁波在界面發(fā)生反射，無法進(jìn)入材料內(nèi)部。為解決這一問題，筆者設(shè)計了一層低參數(shù)的阻抗匹配層材料，降低了單層吸波材料與自由空間的阻抗差異，從而降低了表面反射。經(jīng)測試具有阻抗匹配層的雙層材料具有較高的吸波性能，而且吸波曲線比較平緩，而僅有吸波涂層的單層材料吸波性能比較低，或雖然吸波性能高但吸收頻帶比較窄。阻抗匹配層的特征阻抗介于吸波涂層和自由空間之間，可以降低界面反射，促使電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部并被吸收。綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)樣板的吸波性能、穩(wěn)定性和可加工性能的要求，采用高效磁損型和電損型復(fù)合吸收劑與增韌環(huán)氧樹脂為基體材料設(shè)計吸波涂層的配方，以增強涂層對電磁波的吸收損耗；采用低電磁參數(shù)的無機材料為填充劑，以增韌環(huán)氧樹脂為基體設(shè)計匹配涂層配方，以減弱因阻抗不匹配所造成的反射，從而使電磁波能夠充分進(jìn)入到吸波涂層而被吸收。

所確定的雙層結(jié)構(gòu)和配方雖然能夠達(dá)到較高的吸波性能，并且吸收曲線比較平緩，但要滿足指標(biāo)規(guī)定的各頻率不同的吸波性能量還需對雙層結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為此研究了雙層結(jié)構(gòu)不同參數(shù)組合情況下吸波性能變化規(guī)律，吸波涂層厚度在0.2～1.0 mm，匹配涂層厚度在0.3～1.2 mm范圍內(nèi)共進(jìn)行了近百種參數(shù)組合設(shè)計，圖1和圖2是所設(shè)計的不同參數(shù)組合情況下反射率變化規(guī)律示例。經(jīng)過大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和試驗驗證，得到了各個反射率梯度標(biāo)準(zhǔn)樣板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

吸收層：0.4 mm； 1～7匹配層依次為0.4、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2 mm圖1 吸收層固定匹配層變化的樣板反射率曲線

吸收層：0.6 mm； 1～8匹配層依次為0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.1、1.2 mm圖2 吸收層固定匹配層變化的樣板反射率曲線

1.2 標(biāo)準(zhǔn)樣板制備工藝

制備工藝不僅要使標(biāo)準(zhǔn)樣板達(dá)到所設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，而且要滿足標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性及特征量值定值準(zhǔn)確性要求，主要包括基板的選擇、加工與表面處理、吸波涂層和匹配涂層的制作。

(1)基板的處理

標(biāo)準(zhǔn)樣板應(yīng)以良導(dǎo)體金屬平面作為基板。通過對銅、純鋁、鋁合金、不銹鋼等材料的理化性能指標(biāo)進(jìn)行綜合對比分析，確定采用純鋁板作為標(biāo)準(zhǔn)樣板基板。由于要在基板上制備一定厚度的吸收材料涂層，涂料加熱固化過程中可能引起樣板變形，因此研究了不同厚度純鋁板上制備相同厚度吸收材料涂層加熱固化后的變形情況。經(jīng)對比試驗確定采用厚度為5 mm的鋁板作為標(biāo)準(zhǔn)樣板基板，經(jīng)精密機械加工，達(dá)到較高的平行度、平面度等級之后，進(jìn)行噴砂處理，以提高涂層附著力，增強標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性。

(2)功能涂層的制備

采用加壓式噴涂工藝進(jìn)行吸波涂層和匹配涂層的制備。合理調(diào)節(jié)涂料黏度，以利于高密度涂料的均勻霧化和噴涂，通過試驗確定噴涂工藝參數(shù)。對完全固化的涂層進(jìn)行精密磨削加工，使其達(dá)到設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求。進(jìn)行防護(hù)處理，以避免空氣、潮氣對界面氧化、侵蝕。

2 標(biāo)準(zhǔn)樣板均勻性

由于是對每塊標(biāo)準(zhǔn)樣板分別定值，因此不需要抽樣進(jìn)行均勻性檢驗。在對標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行定值測試和使用時，所表現(xiàn)的是整塊樣板功能表面的特性，因此也不存在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣板上不同區(qū)域之間性能是否均勻的問題。

3 標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性檢驗

標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性是指在規(guī)定的時間間隔內(nèi)使其特性量值保持在規(guī)定范圍內(nèi)的能力，通常是通過長時間連續(xù)觀察其特性量值變化規(guī)律來確定[2]。為了評價標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性，筆者選擇了多件有代表性的標(biāo)準(zhǔn)樣板(分別攜帶-5、-10、-15 dB吸波性能值)，對其反射率隨時間的變化情況進(jìn)行考核。一年內(nèi)每隔2個月進(jìn)行一次測試，每次至少測量3個觀測值，取其平均值作為該次測試值，采用平均值一致性檢驗法評定標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性。

對標(biāo)準(zhǔn)樣板候選物一年內(nèi)6個周期的穩(wěn)定性檢驗結(jié)果進(jìn)行t檢驗。表1列出了某塊標(biāo)準(zhǔn)樣板候選物6個不同時間的反射率數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，由表1可知，t計算值均小于t0.05(5)，因此研制的標(biāo)準(zhǔn)樣板性能穩(wěn)定。

表1 某標(biāo)準(zhǔn)樣板穩(wěn)定性檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

注：當(dāng)α=0.05,n=6時，t0.05(5)=2.57。

4 標(biāo)準(zhǔn)樣板的定值

定值測試按GJB 2038-1994[3]中的雷達(dá)吸波材料(RAM)反射率遠(yuǎn)場RCS測試方法進(jìn)行。采用盡量相同的試驗條件(包括溫度、濕度、發(fā)射功率、背景電平、極化狀態(tài)等)進(jìn)行測量，根據(jù)GB/T 8170-1987[4]的規(guī)定對定值數(shù)據(jù)進(jìn)行修約，并按JJF 1006-1994[5]的規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，確定出標(biāo)準(zhǔn)樣板的標(biāo)準(zhǔn)值。

標(biāo)準(zhǔn)樣板的不確定度主要包括測試系統(tǒng)的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)樣板的各類試驗不確定度。其中測試系統(tǒng)不確定度按B類方法評定，包括：發(fā)射功率、背景電平、頻率、等的波動對系統(tǒng)測試結(jié)果的影響。標(biāo)準(zhǔn)樣板的各類試驗不確定度按A類評定，包括(1)同一條件下多次重復(fù)測試的不確定度u1；(2)均勻度不確定度分量u2；(3)時間穩(wěn)定性不確定度分量u3；(4)溫度穩(wěn)定性不確定度分量u4；(5)濕度穩(wěn)定性不確定度分量u5。

將各類不確定度分量進(jìn)行合成，并取95%置信度，得到合成擴展不確定度[6]。

某標(biāo)準(zhǔn)樣板的標(biāo)準(zhǔn)值、各不確定度分量及合成不確定度計算結(jié)果列于表2。

表2 某件標(biāo)準(zhǔn)樣板標(biāo)準(zhǔn)值、不確定度

5 結(jié)語

筆者研制的毫米波段吸收材料標(biāo)準(zhǔn)樣板經(jīng)有關(guān)單位試用，認(rèn)為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，穩(wěn)定性好，反射率曲線平坦，并且使用方便。該標(biāo)準(zhǔn)樣板已用于按照“雷達(dá)吸波材料反射率弓形測試法”和“雷達(dá)吸波材料反射率空間平移法”反射率測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)和日常技術(shù)狀態(tài)核查，對于保證此類測試系統(tǒng)的測試準(zhǔn)確度具有使用價值。

[1] 克拉特 E F，謝弗 J F，塔利 M T，等.雷達(dá)散射截面—預(yù)估、測量和減縮[M].沅穎錚，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1987:14-37.

[2] 全浩.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990:31-43.

[3] GJB 2038-94 雷達(dá)吸波材料測量方法[S].

[4] GB/T 8170-1987 數(shù)值修約規(guī)則[S].

[5] JJF 1006-1994 一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范[S].

[6] JJF 1059-1999 測量不確定度評定與表述[S].