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

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(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016； 2. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引 言

隨著現(xiàn)代各種光電磁探測(cè)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(yán)重。隱身衛(wèi)星的研制對(duì)于反敵方探測(cè)和監(jiān)視具有重要意義，日益引起世界各國(guó)的普遍重視[1-3]。美國(guó)將隱身技術(shù)列為國(guó)防三大高技術(shù)之一，給予高度關(guān)注。

雷達(dá)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(dá)探測(cè)波段，也是世界各國(guó)力求突破的超寬頻帶雷達(dá)隱身頻段。美國(guó)自20世紀(jì)60年代以來一直開展隱身衛(wèi)星的研究，先后研制出雷達(dá)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(dá)隱身研究和試驗(yàn)的手段大體分為被動(dòng)隱身和主動(dòng)隱身兩類，以降低衛(wèi)星雷達(dá)散射截面(Radar Cross-Section，RCS)為目的，實(shí)現(xiàn)的主要途徑有：(1)衛(wèi)星低RCS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2)衛(wèi)星表面材料設(shè)計(jì)。其中衛(wèi)星表面材料設(shè)計(jì)往往采用吸波材料和漫反射材料，達(dá)到RCS縮減的目的，它因?yàn)椴桓淖兓蛘邩O少改變衛(wèi)星的設(shè)計(jì)外形顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。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(qiáng)”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(jì)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(duì)電磁波調(diào)控能力極強(qiáng)，對(duì)電磁波的傳播路徑、幅度、方向、極化、相位以及頻譜都有極強(qiáng)的調(diào)控能力。電磁超材料吸波體的全新概念就是基于對(duì)電磁波振幅的調(diào)控，自2008年美國(guó)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(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)吸波體，具有帶寬寬、厚度小、吸波性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，目前實(shí)現(xiàn)多頻或?qū)掝l的主要方法主要有：組合多個(gè)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(jì)了兩種不同類型的電磁超材料雷達(dá)吸波體，分別適用于微小衛(wèi)星星體及太陽(yáng)能電池陣受光面，達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)2～18 GHz，覆蓋S、C、X、Ku頻段的吸波體。適用于太陽(yáng)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(duì)電磁波極化方式的調(diào)控和吸收實(shí)現(xiàn)X、Ku頻段范圍內(nèi)的寬頻散射和吸波，達(dá)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(jì)的要求；然后根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)衛(wèi)星星體電磁超表面多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)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(duì)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(jìn)行仿真；完成實(shí)物樣品加工后，在微波暗室系統(tǒng)中對(duì)其電性能進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)樣品的隱身性能。

1 微小衛(wèi)星隱身材料設(shè)計(jì)要求

1.1 星體及太陽(yáng)能電池陣背光面隱身材料設(shè)計(jì)要求

微小衛(wèi)星星體及太陽(yáng)能電池陣被光面相對(duì)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(diǎn)。針對(duì)2～18 GHz的主要雷達(dá)探測(cè)波段,需要實(shí)現(xiàn)寬頻帶的吸波性能，吸波效率達(dá)到90%以上的頻帶覆蓋S、C、X、Ku波段；同時(shí)衛(wèi)星對(duì)地姿態(tài)具有不確定性，因而吸波頻帶需要同時(shí)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(shí)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(qiáng)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(duì)電磁超材料結(jié)構(gòu)的剝蝕，需要對(duì)材料表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，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(yáng)能電池陣正面隱身材料設(shè)計(jì)要求

太陽(yáng)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(jì)必須在滿足寬帶低散射的同時(shí)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(shí)滿足寬帶、小型化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗原子氧剝蝕、重量限制等要求。

1.3 技術(shù)難點(diǎn)

該微小衛(wèi)星隱身材料的設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：(1)需要針對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)方式；(3)為了提高隱身材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度材料、層間粘合膠膜和結(jié)構(gòu)保護(hù)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(shí)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(jì)；(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(jì)達(dá)到帶寬拓展的目的，對(duì)帶寬拓展有較大限制；(6)由于衛(wèi)星姿態(tài)，探測(cè)方向的不確定性，兩類吸波結(jié)構(gòu)需要實(shí)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(dòng)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

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

為了實(shí)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(diǎn)、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(duì)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(duì)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(jìn)行了一定的改進(jìn)。如圖1所示，為了保證該超材料具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)超材料吸波體進(jìn)行高溫壓合以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和隔絕空氣。同時(shí)，為了使超材料吸波體能夠抵抗外太空原子氧對(duì)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(jì)與性能分析

為保證所設(shè)計(jì)的隱身結(jié)構(gòu)具有良好的光透性，讓太陽(yáng)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(jì)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(gè)圓形ITO結(jié)構(gòu)和一對(duì)長(zhǎng)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(yáng)能電池陣表面上，經(jīng)測(cè)試，該太陽(yáng)能電池陣可做金屬背板使用。因此設(shè)計(jì)的透光隱身結(jié)構(gòu)為反射型。仿真中，我們直接用太陽(yáng)能電池陣代替金屬背板置于整個(gè)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(duì)所設(shè)計(jì)的光透隱身超表面的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。獲得的共極化與交叉極化反射系數(shù)如圖4所示?？梢钥闯?，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(shí)，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(jì)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(dá)到80%以上，在11.2～17.4 GHz內(nèi)，吸波率可以達(dá)到90%。達(dá)到隱身頻段覆蓋X和Ku波段的設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星RCS縮減的目的。

圖5 6 GHz頻點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算2 GHz, 6 GHz和12 GHz時(shí)，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。可以看出涂有高阻表面的衛(wèi)星的RCS在絕大部分角度下的單站RCS都遠(yuǎn)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(duì)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(dá)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(jiǎn)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(shí)際中會(huì)有一定偏差。

圖7 衛(wèi)星被電磁超表面覆蓋前后計(jì)算的單站RCS對(duì)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(cè)試

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

為了通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)物如圖9所示，實(shí)物樣件每層的單元結(jié)構(gòu)數(shù)為30×30，邊長(zhǎng)為330 mm×330 mm，整體厚度為11.5 mm。在每層吸波層加工了4個(gè)定位孔，以便于保證每層單元結(jié)構(gòu)縱向上一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)，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(qiáng)度，還保證了吸波層介質(zhì)基板的平整性，增強(qiáng)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(shí)物圖Fig.9 Sample of the metamaterial

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

該吸波材料的彎曲剛度經(jīng)測(cè)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(cè)試與比對(duì)

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?cè)诓Ａ?，加工精度最小?0 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(shí)物尺寸為300×300 mm,與提供的太陽(yáng)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(cè)試儀(LH-221)進(jìn)行測(cè)量，該儀器透光率偏差小于1%。通過隨機(jī)選取多點(diǎn)測(cè)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(dá)到83.8%，最高透光率可達(dá)到87.6%。

圖11 透光型吸波體樣品及透光率測(cè)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(cè)試環(huán)境，樣品的吸波性能可以通過自由空間法測(cè)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(cè)量共極化反射系數(shù)。由測(cè)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(cè)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(cè)量誤差以及ITO表面電阻的不確定性引起的。仔細(xì)比對(duì)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)獲得的吸波率較仿真值有輕微下降，但諧振頻點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用中確實(shí)可以高效地減少后向反射，顯示出對(duì)太陽(yáng)能電池陣受光面單站RCS縮減的潛力，同時(shí)保證了高透光性，確保太陽(yáng)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(cè)試與仿真結(jié)果比對(duì)Fig.12 Comparison of test and simulation results

4 結(jié) 論

本文針對(duì)微小衛(wèi)星在雷達(dá)頻段面臨的寬帶隱身問題，提出利用電磁超材料實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星隱身的方案，設(shè)計(jì)了兩種不同類型的電磁超材料雷達(dá)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(yáng)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(shí)滿足高透光型的要求。樣件及整星的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用電磁超材料構(gòu)建的雷達(dá)吸波體可以實(shí)現(xiàn)超寬頻帶電磁波的有效吸收，達(dá)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(jī)械強(qiáng)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(jià)值。