鈮摻雜ITO鍍膜玻璃電磁散射特性試驗

劉戰(zhàn)合，王菁，王曉璐，姬金祖，黃沛霖

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，鄭州 450046) (2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，隱身技術(shù)成為先進武器平臺的主要技術(shù)指標[1-3]。對于飛行器(例如戰(zhàn)斗機、武裝直升機等)，座艙是其頭向雷達散射截面(Radar Cross Section，簡稱RCS)影響較大的三個散射源之一[4-6]，現(xiàn)代先進的隱身飛機(例如F-22、J-20等戰(zhàn)斗機)及部分隱身化改進的飛機，采用薄膜沉積技術(shù)，在座艙玻璃表面涂覆一層或多層導(dǎo)電膜，以達到控制電磁波透射率、反射率的目的[7-9]。

結(jié)合外形隱身技術(shù)，座艙玻璃鍍膜可以實現(xiàn)對電磁波反射波峰的大小、方向等的控制。用于座艙玻璃透明導(dǎo)電功能的膜系可以分為早期的金屬復(fù)合膜系和透明導(dǎo)電膜系(Transparent Conductive Oxides，簡稱TCO)[10]。金屬復(fù)合膜系(例如TiO2/Au/TiO2膜系[11])以金屬為功能層(金屬通常選擇金屬金或銀)，實際工程中由于金屬本身極易氧化，尤其是濕鹽環(huán)境下，電磁波控制性能將大幅降低，甚至損失基本功能，同時，金屬膜層透光率較低；相對而言，TCO通常為單層金屬氧化物或多層金屬氧化物氮化物膜系，例如單獨采用ITO(Indium Tin Oxides)[12-13]，或者在ITO、AZO(ZnO：Al2O3)[10]的基礎(chǔ)上輔以其他介質(zhì)保護或光學(xué)控制的膜層，該類膜系由于采用的金屬氧化或氮化物通常具有較高的穩(wěn)定性，尤其適合飛行器、武器系統(tǒng)在極端環(huán)境下的高效工作。從電磁隱身功能實現(xiàn)角度來講，金屬具有較高的電磁反射效果，是實現(xiàn)電磁波控制的有效途徑；對于座艙玻璃的電磁隱身，通常是通過提高表面導(dǎo)電率來實現(xiàn)，但TCO與金屬導(dǎo)電原理不同，TCO本質(zhì)上屬于半導(dǎo)體，區(qū)別于金屬的自由電子導(dǎo)電原理，TCO根據(jù)P型、N型的摻雜原子替代原理的不同有電子和空穴導(dǎo)電兩種情況，當(dāng)前飛行器座艙玻璃隱身主要采用N型半導(dǎo)體材料(例如ITO、AZO)?；诜綁K電阻對電磁散射的影響考慮，李玉杰等[7]針對飛機座艙有機玻璃，研究了ITO薄膜附著力影響關(guān)系及優(yōu)化方法；劉戰(zhàn)合等[8]研究了鈮摻雜ITO薄膜工藝參數(shù)對方塊電阻和透光率的影響。基于磁控濺射工藝，Z.Ghorannevis等[14]研究了AZO等薄膜方塊電阻、透光率等的影響因素。但是，對兩種薄膜方塊電阻、可見光透光率、RCS等的相互耦合關(guān)系缺乏深入研究，尤其對RCS的反射、屏蔽特性尚需進一步研究。

針對以上情況，本文以非平衡磁控濺射鍍膜的鈮摻雜ITO(Nb-Doped Indium Tin Oxides)鍍膜玻璃為研究對象，系列化測試10、15 GHz入射頻率下不同方塊電阻鍍膜玻璃的RCS曲線，研究其RCS散射規(guī)律，分析方塊電阻對RCS的影響規(guī)律，以對應(yīng)金屬板為基礎(chǔ)，分析導(dǎo)電玻璃不同角域上RCS與方塊電阻、可見光透過率的變化規(guī)律。

1 研究方法

1.1 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃

采用非平衡磁控濺射技術(shù)[15]在3 mm厚浮法玻璃表面沉積具有不同方塊電阻的鈮摻雜ITO薄膜[8,13]，鍍膜時室內(nèi)溫度18～26 ℃、濕度小于55%，鍍膜中基底樣品為室溫，即采用室溫鍍膜方法。系列鈮摻雜ITO鍍膜玻璃，尺寸均為10 cm×10 cm，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)，保證可見光透過率滿足飛行器座艙玻璃對采光需求，為了提高導(dǎo)電性，方塊電阻為20～150 Ω/m2，依次分為7個鍍膜玻璃試件，分別對其編號為1#～7#，同時為了研究鈮摻雜ITO電磁散射特性，將其RCS結(jié)果與同等大小金屬鋁板(編號為0#)進行對比分析，研究鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS分布及與方塊電阻之間的內(nèi)在影響關(guān)系。本文用于試驗的鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的方塊電阻R、可見光透過率T如表1所示。

表1 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃光電參數(shù)Table 1 Optoelectronic parameters of Nb-doped ITO coated glass

1.2 試驗方法

本文研究ITO鍍膜玻璃相對于金屬板的電磁散射特性，而對于散射而言，其重點關(guān)注的影響范圍為垂直其表面的一定角域。針對以上情況，在暗室進行測試，其測試方案如圖1所示。

圖1 暗室測試試件安裝示意圖Fig.1 Installation diagram of specimen in darkroom test

實際測試過程中，鈮摻雜ITO鍍膜玻璃試件隨測試轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，完成不同方位角RCS測試，定義入射電磁波垂直薄膜表面為0°，沿旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)范圍為0～180°。為了便于分析，定義80°～100°為頭向20°角域，60°～120°為頭向60°角域，測試頻率為10、15 GHz，實際暗室測試如圖2所示。

圖2 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃暗室RCS測試圖Fig.2 Sketch of NB-doped ITO coated glass’s RCS test in darkroom

2 鍍膜玻璃隱身性能評估方法

座艙玻璃鍍膜的外形隱身是飛行器座艙隱身的主要技術(shù)手段，用于座艙玻璃的透明導(dǎo)電膜機理不同，其導(dǎo)電性和電磁散射性能表現(xiàn)不同。針對飛行器座艙鍍膜玻璃，評價其隱身性能或電磁散射性能，可與相應(yīng)幾何尺寸大小的金屬板進行對比，來研究其對飛機座艙隱身性能的貢獻。

記金屬板在某一入射頻率的RCS測試結(jié)果為σmetal，單位為dBsm[16-17]，對應(yīng)鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS測試結(jié)果為σNb-ITO，理想的具有外形隱身性能的座艙玻璃鍍膜具有與同等條件金屬材料的電磁散射相同或接近，因此，評價其隱身性能可由二者差異來確定。

為了定量描述其外形隱身性能差異，從RCS角度出發(fā)，定義RCS增益如下：

G=σmetal-σNb-ITO

(1)

當(dāng)RCS增益G接近或等于0 dB時，鈮摻雜ITO鍍膜玻璃具有與金屬同等的隱身或電磁散射性能，而當(dāng)G越大時，鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的隱身效果越差。

由于RCS曲線對入射角比較敏感，RCS分析時，通常采用一定角域內(nèi)[a,b]的RCS算術(shù)均值或幾何均值來研究電磁散射特性，a、b分別為起始、結(jié)束方位角，記N為[a,b]角域上RCS測試采樣點數(shù)目，σi為第i個方位角上的RCS，此時角域[a,b]內(nèi)RCS的算術(shù)均值為

(2)

通常計算測試結(jié)果普遍采用dBsm為單位，記σdBsm,i為第i個方位角上的RCS，與式(2)類似，相應(yīng)的以dBsm為單位的算術(shù)均值為

(3)

本文測試結(jié)果為dBsm，分別以金屬和鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS算術(shù)均值為基準，計算其[a,b]角域內(nèi)的RCS算術(shù)均值增益(簡稱增益)。

(4)

理論上講，上述定義在[a,b]角域內(nèi)的RCS算術(shù)均值增益大于0 dB，但不排除由于測試和計算精度的原因，引起有稍小的差異。同時，該值表示在角域[a,b]范圍內(nèi)的隱身性能高低，通常增益越大時，表明用于座艙玻璃的透明導(dǎo)電薄膜的外形隱身性能越低，即其電磁散射特性與對應(yīng)金屬散射性能差異越大；反之，增益越低，甚至接近于0 dB時，表明座艙玻璃的外形隱身越接近金屬化效果。從外形隱身角度考慮，通常重點討論鏡面散射區(qū)別，為了更加詳細地研究座艙玻璃方塊電阻對隱身性能、電磁散射特性的影響，本文重點討論正入射左右20°角域和60°角域上的增益，以研究座艙玻璃的電磁散射特性。

3 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃RCS特性

為了研究鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的電磁散射特性，對不同方塊電阻及對應(yīng)金屬板進行測試。10、15 GHz入射頻率的HH、VV極化時的系列化試件RCS測試曲線如圖3～圖4所示。

(a) HH極化

(b) VV極化圖3 10 GHz HH極化和VV極化RCS測試曲線Fig.3 RCS curves with 10 GHz and HH polarization, VV polarization

(a) HH極化

(b) VV極化圖4 15 GHz HH極化和VV極化RCS測試曲線Fig.4 RCS curves with 15 GHz and HH polarization, VV polarization

從圖3～圖4可以看出，鈮摻雜ITO鍍膜玻璃具有以下電磁散射特點：

①曲線分布特性。與對應(yīng)金屬板散射分布類似，在頭向20°角域，為典型的鏡面散射，其余角域RCS逐漸降低，鏡面散射部分是本文重點研究部分，該部分對外形隱身較為明顯，因此以下分析中，以該部分為主要研究對象。

②方塊電阻影響。方塊電阻對RCS散射曲線有重要影響，方塊電阻變大時，RCS在各個角域上趨于變?。粚τ阽R面散射部分，當(dāng)方塊電阻值較小時(小于40 Ω/m2)，鏡面散射的波峰與金屬基本一致，表明具有較好的外形隱身效果，隨著方塊電阻變大，波峰逐漸變小，尤其在方塊電阻大于100 Ω/m2時，盡管由于具有一定導(dǎo)電性，仍然存在波峰，但其峰值已有較大降低。

③頻率特性和極化特性。15 GHz時，HH和VV極化的鏡面散射波峰寬度比10 GHz要窄，同時，鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的散射波峰在15 GHz表現(xiàn)得更窄；與HH極化曲線相比，VV極化的RCS曲線變化較為敏感，方塊電阻變大時，其RCS曲線在較大角域范圍內(nèi)有所降低。

4 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃電磁散射特性

4.1 頭向20°角域RCS算術(shù)均值特性分析

本文主要研究角域為頭向20°和60°角域，但從算術(shù)均值角度看，60°角域與20°角域散射規(guī)律類似，因此討論算術(shù)均值時重點討論對外形隱身產(chǎn)生重要影響的頭向20°角域。以暗室RCS測試數(shù)據(jù)的算術(shù)均值為研究對象，計算得到鈮摻雜ITO鍍膜玻璃在頭向20°角域的RCS(以dBsm為單位)算術(shù)均值，如表2所示。

表2 頭向20°角域RCS算術(shù)均值Table 2 RCS arithmetic means in angle domains of heading 20 degree

4.2 不同角域RCS算術(shù)均值增益分析

為了進一步分析外形隱身效果，以RCS算術(shù)均值增益為研究對象進行研究?？紤]鈮摻雜ITO鍍膜玻璃與對應(yīng)金屬材質(zhì)在更大角域內(nèi)的貢獻，關(guān)注頭向20°和60°角域；對其他角域，由于受RCS分布影響，從外形隱身角度出發(fā)，研究意義較小。鈮摻雜ITO鍍膜玻璃在頭向20°和60°角域內(nèi)的RCS算術(shù)均值增益分別如表3～表4所示。

表3 頭向20°角域增益Table 3 Gains in angle domains of heading 20 degree

表4 頭向60°角域增益Table 4 Gains in angle domains of heading 60 degree

從表3～表4可以看出：在鈮摻雜ITO鍍膜玻璃方塊電阻較小時，增益較小，與金屬板相比在-1～4 dB，結(jié)合圖4，方塊電阻較小時，該鏡面散射區(qū)域的RCS曲線基本重合，差異較??；方塊電阻增大時，增益迅速變大，達到80 Ω/m2以上時，增益增大約10 dB，表明鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS降低一個數(shù)量級，即，從曲線角度看，盡管仍具有一定的外形隱身作用，但其影響顯著降低；對于增益變化來說，也有一定的極化特性，對于頭向20°角域，VV極化增益相比HH極化大，表明VV極化影響較為明顯，但在方塊電阻較小時，即小于40 Ω/m2時，仍具有較高的外形隱身作用，增益在5 dB以內(nèi)，同時RCS測試曲線也說明了這一點；對于頭向60°角域，由于受一定非鏡面散射區(qū)域影響，增益在方塊電阻較小時相對較大，而在方塊電阻較大時，其增益變大，但也有部分情況下增益變化較小情況。其他變化規(guī)律基本與頭向20°角域類似。

4.3 方塊電阻對RCS均值增益的影響

(a) 10 GHz

(b) 15 GHz圖5 10 GHz和15 GHz增益變化曲線Fig.5 Curves of gains in 10 GHz and 15 GHz

從圖5可以看出：

(1) 方塊電阻增大時，在頭向20°和60°角域內(nèi)，10、15 GHz情況下的增益均逐漸變大，尤其在頭向20°角域，真正有外形隱身作用的是在方塊電阻小于40 Ω/m2。

(2) 對于10 GHz，方塊電阻較小時，在20～40 Ω/m2，頭向20°和60°角域的RCS增益均比較小，表明此范圍均有較高的外形隱身效果；而方塊電阻較大時，HH、VV極化的影響規(guī)律逐漸分散，兩個角域內(nèi)的HH極化RCS均值增益較為明顯；對于15 GHz，方塊電阻較小時，VV極化RCS增益較為明顯，但增益在外形隱身接受范圍內(nèi)，方塊電阻變大時，與10 GHz規(guī)律基本一致，而HH、VV極化差異相對較小。

(3) 對于頭向20°，兩個頻率、兩種極化下的增益變化曲線趨勢基本一致，而頭向60°角域的增益變化曲線表現(xiàn)為一定的震蕩性。

分析以上結(jié)果，其原因主要是：在頭向20°角域，主要表現(xiàn)為鏡面散射效果，結(jié)合散射曲線，此時影響因素比較單一，也更能體現(xiàn)出鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的外形隱身作用；而在頭向60°角域，計入了大量鏡面散射之外的RCS散射效果，影響外形隱身效果的分析，由于不同頻率、不同方塊電阻下的測試曲線在鏡面散射之外震蕩較為明顯，且不具有明顯一致現(xiàn)象，導(dǎo)致對增益的影響產(chǎn)生震蕩效果。

從測試結(jié)果來看，鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的方塊電阻對RCS增益有較大影響，方塊電阻較小時，具有較好的外形隱身效果，但方塊電阻過低會帶來薄膜增厚、透光率降低、工藝過程復(fù)雜、成本較高的缺點，因此，應(yīng)根據(jù)實際需求，合理調(diào)整方塊電阻和外形隱身、透光率的關(guān)系。

5 結(jié) 論

(1) 具有外形隱身效果的鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS曲線分布規(guī)律與對應(yīng)金屬板基本一致，表現(xiàn)為鏡面散射區(qū)(即頭向20°角域)的散射曲線波峰形式、寬度、高度等相似。

(2) 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃在不同入射頻率、不同極化情況下均具有外形隱身效果，且當(dāng)方塊電阻小于40 Ω/m2時，具有與金屬材質(zhì)類似的外形隱身作用，不影響座艙內(nèi)采光需求；頻率較高時，波峰較窄，VV極化變化更敏感。

(3) 鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的方塊電阻越大，其RCS增益越大，隱身性能變?nèi)?，通常為了獲得優(yōu)異的外形隱身效果，方塊電阻應(yīng)小于40 Ω/m2。

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