超材料在艦船電磁環(huán)境控制中的應(yīng)用探索

朱世勇

（海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室，浙江 舟山 316003）

未來戰(zhàn)場將是多維一體的信息化戰(zhàn)場，敵我雙方將在多個(gè)領(lǐng)域部署大量的電子、電氣設(shè)備，由此而產(chǎn)生的多類型、寬頻譜、高密度的電磁輻射信號，將使得海戰(zhàn)場電磁環(huán)境極為復(fù)雜。在如此惡劣的電磁環(huán)境中，以水面艦船為中心的作戰(zhàn)模式，其首要任務(wù)是控制好本艦自身的電磁環(huán)境，以達(dá)到艦上電子設(shè)備和武器裝備的自兼容，并且在總體設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地降低本艦的雷達(dá)波散射截面積（RCS），以減小被敵方探測及被打擊概率、提高生命力，才能確保艦船自身的作戰(zhàn)性能得到最大化發(fā)揮[1-10]。

近年來，隨著電子技術(shù)發(fā)展所帶來的水面艦船裝備的更新?lián)Q代，艦船作戰(zhàn)平臺上電子傳感器的數(shù)量日益增多，由新型艦船組成的水面艦船編隊(duì)又構(gòu)成了更為龐大、復(fù)雜的電磁環(huán)境。當(dāng)今海上作戰(zhàn)對新一代水面艦艇的雷達(dá)波隱身性提出越來越高的要求[11-12]，與此同時(shí)，新裝備所帶來的新的電磁兼容性問題也在陸續(xù)出現(xiàn)，艦船電磁環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展正面臨著強(qiáng)大的考驗(yàn)，亟需追趕上艦艇裝備發(fā)展的步伐。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 電磁干擾控制技術(shù)

艦船早期的電磁干擾問題主要采用傳統(tǒng)的電磁環(huán)境控制技術(shù)來解決[13-17]，包括優(yōu)化天線布置、屏蔽、濾波、接地以及電纜分類優(yōu)化布置等。這些方法較為簡單、經(jīng)濟(jì)且實(shí)施效果好，至今仍是艦船總體經(jīng)常采用的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，且各國對這些基本電磁兼容干擾控制技術(shù)也始終沒有停止過研究步伐[18-19]。

由于現(xiàn)代艦船上安裝了數(shù)量眾多的天線，雖然對艦總體進(jìn)行了電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)，但仍然可能會存在某些電磁收發(fā)設(shè)備之間的相互干擾[20-21]。在這種情況下，勢必要對艦上的電子收發(fā)設(shè)備在工作頻率、功率、時(shí)間乃至空間上進(jìn)行管理控制，使艦上的電子、武器系統(tǒng)和設(shè)備最大限度地發(fā)揮作戰(zhàn)效能，增強(qiáng)使用的可靠性和決策的便捷性。針對不同的資源類型，電磁兼容管理和控制方法分為頻域管控、時(shí)域管控、空域管控以及功率管控四種類型[13]。頻域管控是指對工作頻率沖突又相互產(chǎn)生干擾的電子設(shè)備進(jìn)行頻譜的合理分配，一直以來廣泛采用的濾波技術(shù)就是對電子設(shè)備進(jìn)行頻域管理和控制的一種手段；時(shí)域管控包括匿影、同步（統(tǒng)一觸發(fā)）和按照作戰(zhàn)優(yōu)先序發(fā)射限時(shí)等手段；空域管控除了空間隔離、輻射阻隔等手段外，還包括對特別雷達(dá)設(shè)定發(fā)射角限位；功率管控包括限功率發(fā)射和提高接收機(jī)檢測門限等手段。

1.2 雷達(dá)波隱身技術(shù)

現(xiàn)代水面艦船的電磁環(huán)境控制不僅要保證本艦自身的電磁兼容性，還應(yīng)考慮到艦船的雷達(dá)波隱身性。雷達(dá)波隱身設(shè)計(jì)的中心思想是減小水面艦船的RCS值。RCS是指當(dāng)目標(biāo)被電磁波照射時(shí)在某個(gè)特定方向上的散射場，它以入射源在目標(biāo)上所形成的入射場強(qiáng)大小作歸一化，由此計(jì)算出的 RCS跟入射源與目標(biāo)之間的距離無關(guān)。它是目標(biāo)自身的固有電磁屬性，可用以式（1）表示：

式中：Escat為目標(biāo)散射電場；Einc為入射源在目標(biāo)上所形成的入射電場。對于不同的測量方向，可以把RCS分為單基站雷達(dá)RCS和雙基站雷達(dá)RCS。前者是眾多雷達(dá)波隱身技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)，后者雖然因變量太多難以把握，但隨著海洋編隊(duì)作戰(zhàn)日趨成熟化，雙基站雷達(dá)RCS也必須加以考慮。

艦船常用的雷達(dá)波隱身技術(shù)有外形隱身和材料隱身技術(shù)[11-12,22]。目前，世界各國設(shè)計(jì)建造的主流軍艦中都已綜合運(yùn)用了這兩種雷達(dá)波隱身技術(shù)。英國“勇敢”級驅(qū)逐艦的前桅采用先進(jìn)技術(shù)桅桿/集成技術(shù)桅桿（ATM/ITM）；俄羅斯“守護(hù)”號輕型護(hù)衛(wèi)艦的艦體和上層建筑結(jié)構(gòu)中大量使用可吸收雷達(dá)信號的非燃玻璃鋼材料，并采用“結(jié)構(gòu)隱身”原理設(shè)計(jì)；美國“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦采用穿浪單體內(nèi)傾船型，上層建筑共形集成，且艦體使用多種抑制雷達(dá)波信號的材料；“自由”號瀕海戰(zhàn)斗艦采用傾斜的艦體表面和雷達(dá)波吸波材料。瑞典的“維斯比”級輕型護(hù)衛(wèi)艦是已服役的軍艦中外形隱身與材料隱身結(jié)合運(yùn)用得最完美的作品，也是采用復(fù)合材料制造的最大的海軍艦船。它的艦體、甲板、上層建筑基本都使用碳纖維增強(qiáng)塑料夾層板建造，結(jié)合外形隱身設(shè)計(jì)，再加上其上層建筑外表均涂有雷達(dá)波吸收材料，使得該艦的雷達(dá)特征信號得到了極大降低[23]。

2 異向介質(zhì)/超材料

早在20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)學(xué)者韋謝拉戈基于經(jīng)典的電磁理論，發(fā)現(xiàn)當(dāng)某種理想材料的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ均為負(fù)時(shí)可能具有奇特的性能。他還將這類特殊材料命名為左手材料（LHMs，left-handed materials），而與之對應(yīng)的自然界中大多數(shù)的尋常物質(zhì)則被稱為右手介質(zhì)(right-handed materials，RHMs)。

已故的麻省理工學(xué)院孔金甌先生基于對超材料的較多基礎(chǔ)研究成果之上，提倡中文翻譯為“異向介質(zhì)”， “異向”代表的是電磁波在異向介質(zhì)中傳播的電磁特征顯著異于傳統(tǒng)材料[24-25]。

隨著國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對Metamaterial研究的不斷深入，Metamaterial所涵蓋的范疇逐步從微波頻段拓展到THz、紅外、光波頻段，乃至聲學(xué)和力學(xué)等領(lǐng)域，研究Metamaterial的隊(duì)伍不斷地發(fā)展壯大。目前，國內(nèi)對Metamaterial的稱呼除了“異向介質(zhì)”，還主要有“超電磁介質(zhì)”、“特異電磁介質(zhì)”、“超材料”等。由于最初大家一致認(rèn)為Metamaterial是人造出來的電磁材料，自然界中是不存在的，“異向介質(zhì)”這個(gè)中文名比較恰當(dāng)。經(jīng)過學(xué)術(shù)界對Metamaterial的持續(xù)深入研究，發(fā)現(xiàn)一些Metamaterial能實(shí)現(xiàn)的“異向”效應(yīng)與“奇異”特性在自然界中存在的物質(zhì)中也能觀察得到，因此，近年來在中國學(xué)術(shù)界越來越多地將Metamaterial稱為超材料[26-29]。

Metamaterial主要特點(diǎn)是其等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量可以通過對組成結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)任何想要擁有的參數(shù)值，可以為正、負(fù)、由負(fù)到正、甚至為0。通常，超材料是由微小金屬諧振單元所組，其介電常數(shù) ε=ε0εr(ω)和磁導(dǎo)率 μ=μ0μr(ω)可用Lorentz色散模型來等效：

式中：函數(shù)φ(ω)為隨頻率變化的相對復(fù)介電常數(shù) εr(ω)或相對復(fù)磁導(dǎo)率 μr(ω)；ωp為等離子體頻率；ω0為諧振頻率；γ為阻尼振蕩頻率。對于自由電荷或者金屬導(dǎo)體，ω0=0，Lorentz色散模型退化為 Drude色散模型：

自然界存在的等離子體其介電常數(shù)就是用Drude色散模型來表示。通過設(shè)計(jì)Metamaterial微小金屬諧振單元結(jié)構(gòu)可以制造出與等離子體相類似的電磁特性，因此，Metamaterial也可以作為實(shí)現(xiàn)等離子體隱身的一種有效途徑。Metamaterial的極度色散使其在不同的頻段內(nèi)表現(xiàn)出不同的電磁特性：在某些頻段內(nèi)其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，可發(fā)生逆斯涅爾折射（Reversed Snell Refraction）效應(yīng)和逆切倫科夫輻射（Reversed Cerenkov Radiation）等；利用異向介質(zhì)能放大倏逝波的特點(diǎn)，可以制成“超級透鏡（Superlens）”；利用其折射率≈0區(qū)域的特性可以制成高指向性天線；因?yàn)楫愊蚪橘|(zhì)的電磁參數(shù)是各向異性的，可隨空間變化，且某些分量取值可在正負(fù)很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，較為契合雷達(dá)波隱身往往需求的典型參數(shù)需求，因而又被視為完美隱身技術(shù)的代表。

3 應(yīng)用探索

3.1 抑制天線旁瓣

艦船上大功率輻射源的旁瓣一般難以得到有效抑制，從而對同一艦船平臺上其他的敏感電磁接收設(shè)備產(chǎn)生影響，是總體電磁兼容系統(tǒng)面臨的難題?；贛etamaterial可調(diào)控電磁波的能力，文獻(xiàn)[20]提出了一種通過喇叭內(nèi)部加載超材料透鏡的方法實(shí)現(xiàn)了角錐喇叭天線的旁瓣抑制。超材料透鏡不僅能調(diào)控電磁波的相位，而且可以調(diào)控喇叭天線口徑幅度分布，在不增加天線尺寸的情況下，使得喇叭天線兩個(gè)主面均擁有較低的副瓣，同時(shí)喇叭天線保持良好的寬帶匹配性能。如果對可控波束的天線[30-31]采用超材料來替代傳統(tǒng)的波導(dǎo)縫隙，即可將振元的尺寸縮減為原先的1/4。

Metamaterial應(yīng)用在艦船天線上可以提高水面艦船現(xiàn)有天線器件的指向性能，以減少艦船平臺天線間的電磁干擾程度，提升總體電磁兼容性。

3.2 增大天線隔離度

艦船桅桿及上層建筑表面積有限，共面布置的平面陣天線無法徹底拉開距離，以至于有可能會相隔很近，而艦船集成桅桿/集成上層建筑外壁通常為金屬。由于外壁表面存在表面波效應(yīng)，電磁能量可以在兩平面陣天線之間形成耦合，從而導(dǎo)致電磁干擾現(xiàn)象。對于安裝于上層建筑表面無法徹底拉開距離的共面天線陣，可以利用Metamaterial抑制陣面天線之間的表面波傳播，減小發(fā)射天線端口的邊緣繞射效應(yīng)，即增強(qiáng)天線間隔離度[32-33]。

3.3 吸收電磁波

吸波材料是通過將電磁波轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式的能量來實(shí)現(xiàn)電磁吸收。在衡量Metamaterial吸波性能的時(shí)候，需要同時(shí)兼顧Metamaterial的衰減特性和阻抗匹配特性。前者要求盡量提高M(jìn)etamaterial等效電磁參數(shù)的虛部損耗，而后者則是通過設(shè)計(jì)某些特殊的邊界條件來使入射電磁波在Metamaterial表面的反射盡可能地小。當(dāng)界面的反射被完全消除，就有可能實(shí)現(xiàn) 100%完美吸波。艦船總體設(shè)計(jì)時(shí)，在某些特定的環(huán)境下引入Metamaterial吸收電磁波，既可以消除設(shè)備間的相互電磁干擾，對總體兼容性有利，又能降低艦船RCS，為總體實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波高效隱身。

從2008年至今，陸續(xù)有研究小組提出了X波段的Metamaterial吸收體，其吸收率在很寬的角度范圍內(nèi)均能達(dá)到80%以上，且能實(shí)現(xiàn)超薄吸收[26,28]。針對水面艦船重點(diǎn)關(guān)注頻段設(shè)計(jì)出適裝性和吸波性優(yōu)越的Metamaterial，可在不影響艦船其他總體性能的前提下大大縮減 RCS值，并可在艦船上存在有害輻射的部位有效吸收電磁波以消除艦船自干擾。因此具有吸波功能的Metamaterial在水面艦船的電磁兼容及雷達(dá)波隱身方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.4 雷達(dá)波隱身罩

目前，水面艦船雷達(dá)波隱身的技術(shù)途徑采用以外形隱身為主，材料隱身和屏蔽技術(shù)為輔，總體隱身和設(shè)備隱身并重的思路和方法，盡量減小艦船的雷達(dá)波散射截面積（RCS）。在總體外形隱身做到極致的情況下，作為外形隱身措施的補(bǔ)充，未來雷達(dá)波隱身的發(fā)展趨勢將越來越多地求諸于類似 Metamaterial的新型電磁材料。例如針對局部“亮點(diǎn)”，在適當(dāng)部位及區(qū)域應(yīng)用隱身涂料和材料（雷達(dá)波隱身材料），以彌補(bǔ)由于部分武器、舾裝設(shè)備未采取隱身設(shè)計(jì)而帶來的不足。

如果希望借助光學(xué)變換的思路來設(shè)計(jì)“隱身衣”，往往必須設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的各向異性電磁參數(shù)。對超薄隱形地毯使用準(zhǔn)保角變換設(shè)計(jì)，即可顯著降低介質(zhì)的復(fù)雜程度，相應(yīng)的代價(jià)則是厚度增加，而超表面[18,20]的出現(xiàn)則為設(shè)計(jì)超薄隱形地毯提供了全新的機(jī)遇。“皮膚”電磁隱形衣在水面艦船總體隱身性設(shè)計(jì)上的突出優(yōu)點(diǎn)是其超薄特性，具有適裝性，可用于對艦船上局部 RCS亮點(diǎn)進(jìn)行壓制，達(dá)到隱身效果。其最大的缺點(diǎn)是定向性，即只能對特定入射方向的電磁波實(shí)現(xiàn)電磁隱形。當(dāng)入射方向發(fā)生變化時(shí)，隱形效果顯著下降。隨著動態(tài)可控電磁單元的發(fā)展，能夠根據(jù)入射方向動態(tài)調(diào)整相位分布的新型皮膚隱形裝置，也并非可望而不可及。

3.5 選頻透波天線罩

通常，敵方與我方的雷達(dá)作用頻率并不相同，如果利用這一點(diǎn)，可以結(jié)合以頻率選擇表面（FSS）技術(shù)[35-38]實(shí)現(xiàn)天線帶外的雷達(dá)隱身。一般來說，頻率選擇表面天線罩在天線帶內(nèi)（即工作頻帶內(nèi)）的透波性能影響很?。欢趲鈺r(shí)，輔以賦形等隱身設(shè)計(jì)，即可將帶外電磁波反射其他方向，顯著減小入射方向的回波。

將Metamaterial設(shè)計(jì)制造為艦船上雷達(dá)和通信天線選頻透波天線罩的材料，不但能提高艦船總體的雷達(dá)波隱身性能，還可控制天線陣列的方向性，對艦船總體電磁兼容性和雷達(dá)波隱身性均大有益處。

4 結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及新型電磁材料的研制和開發(fā)推動著新一代水面艦船的電磁環(huán)境控制技術(shù)向全新的領(lǐng)域逐步拓展。艦船雷達(dá)波隱身是艦船綜合隱身技術(shù)中的重要一環(huán)，由于同時(shí)是對艦船的電磁環(huán)境進(jìn)行總體控制，因此雷達(dá)波隱身性的設(shè)計(jì)與電磁兼容性設(shè)計(jì)可能會產(chǎn)生沖突，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)統(tǒng)籌解決。未來解決艦船隱身性與電磁兼容性的終極方法是全射頻集成技術(shù)，但從現(xiàn)階段的技術(shù)儲備來看，還不足以完全實(shí)現(xiàn)全射頻集成。綜合集成上層建筑是實(shí)現(xiàn)全射頻集成的必經(jīng)之路，它將射頻集成技術(shù)與封裝式桅桿集成安裝技術(shù)相結(jié)合，可在較大程度上縮減RCS，增強(qiáng)水面艦船的隱身性。在此過程中，文中提到的Metamaterial應(yīng)用將起到推波助瀾的作用。只要能夠從頂層統(tǒng)籌考慮水面艦船的電磁兼容性和雷達(dá)波隱身性，有效解決由集成上層建筑衍生出的新的電磁干擾問題，恰到好處地應(yīng)用Metamaterial等新材料技術(shù)，我國水面艦船的電磁環(huán)境控制技術(shù)水平將躍升一個(gè)新臺階、達(dá)到前所未有的高度。