基于介電常數(shù)近零媒質(zhì)的艦船隱身材料微波傳感器*

唐 艷, 毛雨薇, 周永金

(1.海裝上海局駐上海地區(qū)第七軍事代表室,上海 201108； 2.上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,上海 200444)

0 引 言

當前所有目標特性探測制導(dǎo)手段中,雷達探測制導(dǎo)是致使艦船被遠距離攻擊的主要威脅之一[1]。材料技術(shù)由于具備隱身效果優(yōu)異、應(yīng)用條件簡單、不受機體外形限制等特點,在艦船雷達波隱身設(shè)計中,隱身材料主要作為艦船外形隱身技術(shù)的補充手段進行運用[2,3]。為了能夠準確進行隱身吸波材料的設(shè)計,準確、有效地測量隱身吸波材料的介電常數(shù)對艦船雷達波隱身的研究起決定性作用[4]。

測量介電常數(shù)法從最原始的電容器測量方法發(fā)展到傳輸線法[5]、諧振腔法[6,7]等。其中,諧振法與其他方法相比，具有準確度高的優(yōu)點而引起人們的廣泛關(guān)注。隨著超材料逐漸被人們發(fā)掘,以開口諧振環(huán)(split-ring resonators,SRR)[8]、互補開口諧振環(huán)(complementary split ring resonators,CSRR)[9]等平面諧振器為基礎(chǔ)設(shè)計的微波傳感器應(yīng)用逐漸增多。Shen H T等人提出了一種基于改進型互補諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的微波傳感器,并增加一個壓控可變電容二極管來起到頻率調(diào)諧的作用,用于在多個頻率下獨立測量介質(zhì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,測量誤差在7 %左右[10]。

近年來,近零媒質(zhì)超材料作為電磁學(xué)領(lǐng)域的一個新興研究熱點,具有許多異于普通媒質(zhì)的特殊性質(zhì)。近零煤質(zhì)超材料包括介電常數(shù)近零(epsilon-near-zero,ENZ)媒質(zhì)、磁導(dǎo)率近零(magnetic conductivity-near-zero,MNZ)媒質(zhì)、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率近零(epsilon-and-magnetic conductivity-near->zero,EMNZ)媒質(zhì)[11]。在近零媒質(zhì)中傳播的電磁波的波長通常遠遠大于結(jié)構(gòu)本身的尺寸,這使得磁場的相位在這種媒質(zhì)中均勻分布,而且,在該媒質(zhì)中折射率和群速度接近于零,波長和相速度接近于無窮大[12],各種能夠靈活操控電磁波的新型近零媒質(zhì)相繼被提出[13]。Zhou Z H等人在雙輻射端的基片集成波導(dǎo)(substrate integrated waveguide,SIW)中,基于ENZ媒質(zhì)設(shè)計了一種具有極低剖面、輻射模式可重構(gòu)的天線[14]。

本文提出一種基于ENZ媒質(zhì)的雷達波隱身材料微波傳感器。首先,基于SIW結(jié)構(gòu)設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單的ENZ媒質(zhì),將隱身吸波材料放置在該媒質(zhì)的一端或兩端,ENZ媒質(zhì)對隱身吸波材料的變化敏感。仿真結(jié)果表明,當隱身吸波材料介電常數(shù)實部改變時,ENZ媒質(zhì)的諧振頻率發(fā)生明顯變化,當隱身吸波材料介電常數(shù)虛部改變時,ENZ媒質(zhì)的諧振強度發(fā)生明顯變化,因此可以從諧振頻率和諧振強度反演得到隱身吸波材料的復(fù)介電常數(shù)。

1 ENZ媒質(zhì)

SIW利用金屬化通孔陣列在上、下面為金屬層的低損耗介質(zhì)基片上實現(xiàn)傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的功能。與傳統(tǒng)的矩形金屬波導(dǎo)相比,SIW不僅具有同樣良好的傳播特性,還具有體積小、成本低、抗電磁干擾、易于與平面電路集成等特性,所以,由其構(gòu)成的微波器件及其子系統(tǒng)具有高Q值、高功率等優(yōu)點[15]。對于TE10傳輸模式,SIW的有效相對介電常數(shù)為

(1)

式中εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù),c為真空中的光速,Weff為SIW的等效寬度由式(2)給出[16]

Weff=W-D2/0.95P

(2)

式中W為兩列金屬通孔的間距,D為金屬通孔的直徑,P為金屬通孔的間距。SIW的截止頻率為

(3)

則式(1)可以重寫為

(4)

可以看到,當工作在截止頻率f0以上時,SIW支持傳播波,εeff為正；當工作在截止頻率f0以下時,波沿傳播方向呈指數(shù)衰減,εeff為負。當工作在截止頻率f=f0時,在這種臨界情況下,SIW內(nèi)部的場將整體振蕩,以零相位的方式沿著傳播方向前進,表現(xiàn)為ENZ媒質(zhì)。

本文所提出的ENZ媒質(zhì)的三維視圖和俯視圖分別如圖1(a)和(b)所示。介質(zhì)基板的介電常數(shù)為2.65,損耗正切為0.002,厚度H為2 mm。介質(zhì)基板上方矩形金屬貼片長度為L,寬度為W。兩列金屬通孔沿y軸周期性排列,沿x軸方向的另外兩邊則是開放的,用于電磁波的輻射。由式(3)計算得到工作頻率f0=8.1 GHz。該傳感器的具體參數(shù)為：W=11.4 mm,L=17.6 mm,P=1 mm,D=0.6 mm。

圖1 ENZ傳感器的結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)由一個距矩形貼片中心偏移距離S的同軸探針進行饋電,通過調(diào)整偏移距離來匹配輸入阻抗,當S=3 mm時,得到最優(yōu)的阻抗匹配。利用商業(yè)電磁仿真軟件CST模擬得到8.1 GHz時的電場分布,如圖2所示?？梢钥闯?當工作在截止頻率f0以下時,ENZ媒質(zhì)中的波長是無限的,電場沿SIW的傳播方向沒有變化。

圖2 ENZ媒質(zhì)的仿真結(jié)果

2 基于ENZ媒質(zhì)的隱身吸波材料測量

將隱身吸波材料放置在ENZ媒質(zhì)的單端進行測量,如圖3所示。其中，隱身吸波材料的長度、寬度和高度分別為13.2,1,0.1 mm。在微波范圍內(nèi),設(shè)置常用隱身吸波材料介電常數(shù)實部ε′ 的變化范圍為4～9,虛部ε″ 的變化范圍為0～4.5。由于隱身吸波材料能夠顯著吸收輻射波,可以預(yù)期該結(jié)構(gòu)的S參數(shù)對于隱身吸波材料介電常數(shù)的變化敏感。

圖3 單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器

當不同的隱身吸波材料被加載在ENZ媒質(zhì)傳感器的單端時,其S參數(shù)如圖4(a)和(b)所示。如圖4(a)所示,可以看到，隨著介電常數(shù)的增大,諧振頻率逐漸減??；如圖4(b)所示,當介電常數(shù)實部固定,隨著虛部的增大,S11諧振強度減弱,幅值逐漸增大。

圖4 隨隱身吸波材料介電常數(shù)實部和虛部變化時的反射系數(shù)

在隱身吸波材料體積相同的情況下,將其分成均等的兩份,分別放置在ENZ媒質(zhì)傳感器的兩端,該雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器如圖5所示。

圖5 雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器

當不同的隱身吸波材料被加載在ENZ媒質(zhì)傳感器的雙端時,其S參數(shù)如圖6(a)和(b)所示。如圖6(a)所示,可以看到，隨著介電常數(shù)的增大,諧振頻率逐漸減小；如圖6(b)所示,當介電常數(shù)實部固定,隨著虛部的增大,S11諧振強度減弱,幅值逐漸增大。與單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器相比,由于相同體積的材料受到的輻射場強度增加,導(dǎo)致諧振頻率的偏移也增大。

圖6 隨隱身吸波材料介電常數(shù)實部和虛部變化時的反射系數(shù)

比較單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器和雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器的S參數(shù)曲線,可以看出，在相同的體積下,采用雙端加載測量要比單端加載測量得到的頻偏大,有利于提高測量的靈敏度,因此，采用雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器。復(fù)介電常數(shù)與諧振頻率、幅值之間的關(guān)系,如圖7所示的曲線,可以看出,諧振頻率隨著介電常數(shù)實部的增大而減小,諧振幅度隨著虛部的增大而增大。

圖7 雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器的 介電常數(shù)與諧振頻率、幅度的關(guān)系

本文在雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器分別加載不同艦載隱身吸波材料,包括Al/鈦碳化硅(Ti3SiC2)、MAS涂層、4 %CB/MAS和5 %MWCNTs/MAS,其介電常數(shù)實部分別為8.23,3.51,6.05和6.82,虛部分別為5.4,0.2,0.43和1,仿真得到如圖8所示的S參數(shù)曲線,可以看出，MAS涂層對應(yīng)的諧振頻率最高,Al/Ti3SiC2對應(yīng)的諧振頻率最低,并且Al/Ti3SiC2對應(yīng)的諧振強度最弱,MAS涂層對應(yīng)的諧振強度最強。

圖8 不同隱身吸波材料對應(yīng)的反射系數(shù)

3 ENZ媒質(zhì)傳感器的參數(shù)反演

以介電常數(shù)實部為例,根據(jù)不同介電常數(shù)實部對應(yīng)的諧振頻點,利用MATLAB中的曲線擬合工具,可以得到隱身吸波材料介電常數(shù)實部與諧振頻率的擬合方程為

y=266.8×sin(x-3.14)+34.48(x-10)2+133

(5)

式中x為諧振頻點,y為反演的隱身吸波材料介電常數(shù)實部。

將圖8中從不同艦載隱身吸波材料的反射系數(shù)得到的頻率代入式(5),反演得到這些材料的介電常數(shù)實部,并與參考的介電常數(shù)實部進行對比。為了量化測量誤差,將其定義為

(6)

式中εs為參考介電常數(shù)實部,εf為反演介電常數(shù)實部。材料的介電常數(shù)實部測量值、諧振頻率、虛部、諧振幅值以及誤差如表1所示。結(jié)果表明,所得介電常數(shù)與參考值之間的誤差較小,測量誤差在2.26 %以內(nèi)。

表1 不同隱身吸波材料的復(fù)介電常數(shù)反演

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器和一種雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器來測量隱身吸波材料的復(fù)介電常數(shù)。雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質(zhì)傳感器具有更高的靈敏度,通過在雙端加載不同常用艦載隱身吸波材料,獲得其諧振頻率和諧振強度,進一步反演得到復(fù)介電常數(shù)實部和虛部,仿真結(jié)果與實驗參考數(shù)據(jù)吻合良好,驗證了該傳感器的有效性和準確性。