隱身材料微波隱身特性評估方法

段長生，劉玉波，劉云松，郝欣甜，張雨，張軍英，姜維維，林帥，荀其寧

（1.國防科技工業(yè) 2311 二級計量站，哈爾濱 150046 ； 2.內(nèi)蒙航天動力機(jī)械測試所，呼和浩特 010076 ；3.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

隱身材料微波隱身特性評估方法

段長生1，劉玉波1，劉云松2，郝欣甜2，張雨3，張軍英3，姜維維3，林帥3，荀其寧3

（1.國防科技工業(yè) 2311 二級計量站，哈爾濱 150046 ； 2.內(nèi)蒙航天動力機(jī)械測試所，呼和浩特 010076 ；3.中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

列舉了隱身材料微波電磁參數(shù)、反射率、目標(biāo)雷達(dá)散射截面（RCS）的測試方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)介紹了探頭法、諧振腔法、傳輸反射法、自由空間等電磁參數(shù)測量方法及弓形法、遠(yuǎn)場法等反射率測試方法的基本原理和測試裝置，分析了各種方法的特點(diǎn)和適用范圍。

隱身材料；微波；測試方法

武器裝備隱身化可以顯著提高軍事效益，世界軍事強(qiáng)國均把隱身技術(shù)列為武器裝備發(fā)展的重要方向。隨著光電探測技術(shù)的發(fā)展，各國對武器裝備的隱身技術(shù)提出了越來越高的要求。隱身性能的獲取是通過外形或結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計，釆用隱身材料等措施降低其雷達(dá)、紅外等信號特征，從而獲得隱身效果。隱身材料技術(shù)是隱身技術(shù)的關(guān)鍵之一。在吸波材料研究應(yīng)用中，有“薄輕寬強(qiáng)”的要求，即薄層、輕質(zhì)、寬帶、強(qiáng)吸收。為了尋找設(shè)計隱身性能好的材料和拓寬材料的應(yīng)用范圍，或者對材料本身進(jìn)行評估，都離不開對材料隱身性能的測試［1］。

筆者從微波電磁參數(shù)、反射率和雷達(dá)散射截面等方面綜述隱身材料測試方法。

1 隱身材料電磁參數(shù)的測試

電磁波在材料中的傳播特性由材料的電磁參數(shù)所決定。隱身材料設(shè)計研制過程中，必須準(zhǔn)確測試材料、吸收劑和填充物的電磁參數(shù)，以便對隱身材料的配方組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。電磁參數(shù)指復(fù)介電常數(shù) ε和復(fù)磁導(dǎo)率 μ，以復(fù)數(shù)形式表示：

式中：

ε0——自由空間介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F／m；

εr——材料的相對復(fù)介電常數(shù)；

μ0——自由空間的磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7H／m ；

μr——材料的相對復(fù)磁導(dǎo)率。

εr和μr是描述材料與電磁場相互作用的兩個基本特征參數(shù)，其中復(fù)介電常數(shù)反映了材料對于電場能量的存儲與損耗，復(fù)磁導(dǎo)率反映了材料磁場能量的存儲與損耗，實(shí)部與虛部的量值則分別反映儲能與損耗的大小。

許多微波測量方法能同時確定材料的微波復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率，這些方法包括傳輸反射法、探頭法、諧振腔法、自由空間法［1-3］及使用多個終端的單端口傳輸線法［4］等，如圖1所示。

1.1 探頭法

探頭法是一種非破壞性測量方法，它可用于層狀材料、液態(tài)物質(zhì)或無定形固態(tài)物質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的測量［5］。探頭法主要有終端開路同軸探頭法和終端開路矩形波導(dǎo)探頭法兩種，前者的測量頻帶很寬，后者的頻帶相對較窄。探頭法還可分為有法蘭和無法蘭兩種，早期的探頭都是無法蘭探頭，存在電磁波的輻射損耗，準(zhǔn)確性較差，而有法蘭探頭的精度相對較高。

圖1 材料電磁參數(shù)測試方法分類

同軸探頭加載涂層材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3則概括了同軸探頭同時測量材料 εr與 μr參數(shù)的全過程。通過同軸探頭和反射計測得材料的反射系數(shù) Γm，利用電磁理論和計算電磁學(xué)建模從理論上計算出材料的反射系數(shù)，以 Γm為標(biāo)準(zhǔn)值，令優(yōu)化迭代可以提取出 εr值；如果需要同時提取 εr和 μr值，則還需適當(dāng)改變條件，再建立一個方程’，聯(lián)立求解得到 εr和 μr。厚度 d 和頻率 f都是反射系數(shù)的獨(dú)立變量，因此得到新方程的方法包括變厚度法和變頻率法。前者通過測量兩塊厚度不同的同種材料，得到 2個反射系數(shù)，建立方程，反演得到 εr和 μr；后者通過改變工作頻率 (掃頻 )來建立電磁參數(shù)所需的多個反射系數(shù)方程。變頻率法只需 1塊樣品和1次掃頻測量反射，既減少了誤差來源，又簡化了測量手續(xù)，非常適用于現(xiàn)場快速測量［6］。

圖2 同軸探頭測量加短路板單層介質(zhì)模型

圖3 同軸探頭測量電磁參數(shù)原理框圖

1.2 諧振腔法

諧振腔法是由 Cook［7］于 20 世紀(jì) 70 年代初提出的。該法是將樣品放入諧振腔中，根據(jù)放入前后其諧振頻率和Q值的變化來確定樣品復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的一種微波測量方法。該方法通常是將樣品置于諧振腔中電場最大、磁場最小處測量樣品的復(fù)介電常數(shù)，將樣品置于諧振腔中電場最小、磁場最大處測量復(fù)磁導(dǎo)率［8］。諧振腔法的局限性在于一般只能用于點(diǎn)頻或窄頻測量，且操作和分析均比較復(fù)雜，對于高損耗材料需要非常小的樣品尺寸，固體材料必須經(jīng)過精確的加工以置入諧振腔。諧振腔法的優(yōu)點(diǎn)在于測量精度很高，尤其適合于測量低損耗材料的復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。

1.3 自由空間法

自由空間法主要釆用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和收發(fā)天線等測試設(shè)備，構(gòu)成開放空間測試系統(tǒng)，通過測量矢量反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，或者測量不同入射角、不同極化方式下的矢量傳輸系數(shù)來確定樣品的微波復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率［9］。近年來，隨著矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的迅速發(fā)展，其測試精度、噪聲門限電平、動態(tài)范圍及自動化程度有了很大提高［10］，微波領(lǐng)域自由空間測試法因準(zhǔn)確度提高而受到廣泛的關(guān)注［11］。

自由空間測試法擬構(gòu)建測試系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。將該測試系統(tǒng)置于測試平臺上，計算機(jī)是整個測試系統(tǒng)的控制中心，控制著網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動測試和電磁參數(shù)的計算，同時還控制測試轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動。網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個測試端分別連有功率放大器。輸出端加功率放大器的目的是放大信號，輸入端加低噪聲放大器是為了改善接收信號的信噪比。當(dāng)測試環(huán)境良好、測試設(shè)備和測試技術(shù)較先進(jìn)時可以省去低噪聲放大器。

圖4 自由空間測試系統(tǒng)原理框圖

自由空間法可廣泛用于非破壞性、非接觸性材料，尤其適用于特殊環(huán)境 (如高溫 )測量和非均勻材料 (如蜂窩結(jié)構(gòu)吸波板 )測量。它的優(yōu)勢在于測量頻率高、頻帶寬，缺點(diǎn)是所需樣品的尺寸較大，尤其在低頻測量時。另外該法要求樣品的表面必須平坦并且雙面平行，該方法的準(zhǔn)確性相對較差。

在 眾多的測量 方法中，傳輸／反射法 (Transmission／Re fl ection Method) 最簡單且具有較高精度［12］。其測試原理：利用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量材料的散射參量，然后通過散射方程反演出材料的電磁參量。復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率與復(fù)反射和復(fù)透射系數(shù)有著單值關(guān)系。

當(dāng)把線性、均勻的待測材料樣品置于同軸線或矩形波導(dǎo)中時，其可等效為傳輸線及互易、對稱二端口網(wǎng)絡(luò)。

這種方法實(shí)際上是一種雙端口傳輸線法，它將均勻、線性、各向同性材料的被測樣品填充在標(biāo)準(zhǔn)傳輸線 (同軸線、波導(dǎo)等 )內(nèi)，構(gòu)成一個互易雙端口網(wǎng)絡(luò)，通過測量含樣品傳輸線段的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)來確定樣品的電磁參數(shù)。傳輸／反射法具有操作簡單、測量速度快、測量頻帶寬、無輻射損耗及測量精度較高等優(yōu)點(diǎn)，是目前各種材料微波電磁參數(shù)測量方法中研究的最多的一種。目前國內(nèi)外吸波材料微波電磁參數(shù)的測量大多釆用這種方法。

傳輸／反射法按照樣品夾具或測量座的不同又可分為矩形波導(dǎo)型、帶線型、微帶線型及同軸型等 4 種類型［13］。

各種方法的特點(diǎn)及適用范圍見表1。測試夾具的示意圖見圖5。

表1 測試電磁參數(shù)的不同方法

圖5 電磁參數(shù)測試夾具

2 微波反射率的測試

反射率是表征隱身材料性能最直接的參數(shù)，目前普遍釆用弓形法（也叫功率對比法）和雷達(dá)散射截面（RCS）法對隱身材料反射率進(jìn)行測量［14］。弓形測試法通過測試金屬良導(dǎo)體平面及以同尺寸金屬平面為襯底的雷達(dá)吸波材料的回波功率而得到反射率，該方法對測試儀器、測試距離、測試電磁環(huán)境、樣板定位精度等要求相對較低，測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度相對較低，且缺乏對測試數(shù)據(jù)的誤差分析，主要用于一般實(shí)驗(yàn)室材料配方篩選和隱身性能的快速評價，其系統(tǒng)組成見圖6。RCS 測試法則是釆用具有理論計算的 RCS 值的標(biāo)準(zhǔn)金屬球體對測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，再準(zhǔn)確測得金屬良導(dǎo)體平面及以同尺寸金屬平面為襯底的雷達(dá)吸波材料的 RCS，計算得到隱身材料的反射率。該方法對樣板尺寸、定位精度、測試距離、背景電平、測試儀器等均有較嚴(yán)格的要求，測試過程相對比較復(fù)雜，但測試準(zhǔn)確度高，用于材料性能的定值、鑒定測試［15］。RCS 測試法系統(tǒng)組成見圖7，這種測試系統(tǒng)最主要的用途是目標(biāo)RCS測試。

圖6 弓形法測試系統(tǒng)示意圖

3 目標(biāo)RCS 測試

RCS 是描述目標(biāo)電磁散射特性的重要特征量之一，電磁隱身技術(shù)的本質(zhì)就是縮減目標(biāo)的 RCS［16］。RCS 的測量是用由微波信號源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、緊縮場天線、微波暗室（室內(nèi)測試）或無限自由空間（外場測試）等組成的系統(tǒng)進(jìn)行的。測試系統(tǒng)組成示意圖見圖7。

首先，政府應(yīng)當(dāng)加大對于基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)，尤其是建設(shè)和完善機(jī)場和鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，從而全面滿足電子商務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。

圖7 RCS 測試系統(tǒng)

圖8 緊縮場天線

空間法 RCS 測試需要滿足遠(yuǎn)場條件，最小測試距離 R按式 (3)計算：

式中：D——天線和目標(biāo)其中較大的尺寸；

λ——波長。

為得到理想的平面波，多釆用緊縮場技術(shù)［17］。饋源喇叭置于拋物面的焦點(diǎn)處，經(jīng)過拋物面反射的波束就變成了各點(diǎn)同相位的平面波。圖8為兩種不同形式曲面的緊縮場圖片。

外場 RCS測量是獲取大型全尺寸目標(biāo)電磁散射特性的重要手段，與微波暗室相比，外場 RCS 測量的優(yōu)點(diǎn)：對目標(biāo)尺寸無嚴(yán)格限制；測量結(jié)果更接近目標(biāo)的真實(shí)情況；遠(yuǎn)場測量條件易于滿足；可直接用于產(chǎn)品的電磁散射特性驗(yàn)收等。缺點(diǎn)是投入大、背景電平高、有多徑影響、保密性差等。外場測試的布局與圖片見圖9 和圖10。

圖9 外場 RCS 測試布局示意圖

圖10 外場圖片

4 隱身材料性能測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前可參照的隱身特性的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)有：

GB／T 5597-1999 固體電介質(zhì)微波復(fù)介電常數(shù)的測試方法；

GB／T 7286.1-1987 金屬與非金屬材料全法向發(fā)射率試驗(yàn)方法；

SJ／T 20512-1995 微波大損耗固體材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率測試方法；

SJ／T 10142-1991 電介質(zhì)材料微波復(fù)介電常數(shù)測試方法 同軸線終端開路法；

ASTM D 2520-2001 Standard Test Methods for Complex Permittivity(Dielectric Constant)of Solid Electrical Insulating Materials at Microwave Frequencies and Temperatures to 1650℃；

JIS R 1801-2002 用 FTIR 測量紅外線加熱器用陶瓷輻射材料頻譜發(fā)射率的方法；

GJB 2038A-2011 雷達(dá)吸波材料反射率測試方法；GJB 5022-2001 室內(nèi)場縮比目標(biāo)雷達(dá)散射截面測試方法；

GJB 5023.1-2003 材料和涂層反射率和發(fā)射率測試方法 第1部分：反射率；

GJB 5023.2-2003 材料和涂層反射率和發(fā)射率測試方法 第2部分：發(fā)射率；

GJB 5027-2003 室外場雷達(dá)目標(biāo)散射特性測試方法。

上述標(biāo)準(zhǔn)都是分別對材料的某一特性量參數(shù)進(jìn)行量化測試，標(biāo)準(zhǔn)之間相互關(guān)聯(lián)性欠缺，尚無綜合評價標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

我國在隱身材料特性測試技術(shù)還處于發(fā)展應(yīng)用階段，在多個方面與工業(yè)先進(jìn)國家的測試水平存在一定差距，需要進(jìn)一步開展隱身材料特性計量測試技術(shù)的綜合研究工作。

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Methods to Test Microwave Characteristic of Stealthy Materials

Duan Changsheng1, Liu Yubo1, Liu Yunsong2, Hao Xintian2
Zhang Yu3, Zhang Junying3, Jiang Weiwei3, Lin Shuai3, Xun Qining3(1. 2311 Secondary Metrology Station of Science, Technology and Industry for National Defence, Harbin 150046, China ；2. Test Institute of Aerospace Dynamic in Inner Mongolia, Hohhot 010076, China ；3. CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

stealthy material; microwave; test method

O652.7

A

1008-6145(2014)05-0130-05

聯(lián)系人：張雨；E-mail: i53zhangyu@163.com

2014-06-19

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.041

AbstrastMethods of microwave characteristc evaluation on stealthy materials were summarized. Electromanetic patameters, reflectivity, radar cross section (RCS) were introduced respectly. It was mainly introduced methods of the probe method, resonant cavity method, transmission and re fl ection method and free space method. The basic principles of the methods, the advantages and disadvantages of various methods, and the current problems existing in the research were discussed.