光學(xué)窗口電磁屏蔽性能分析與驗(yàn)證

馬禮舉，胡 博，張 翔

（1.中國人民解放軍駐八四七軍事代表室，陜西 西安 710043；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，隱身技術(shù)已成為戰(zhàn)機(jī)特別是先進(jìn)隱身戰(zhàn)機(jī)的重要性能指標(biāo)。而光學(xué)窗口作為隱身飛機(jī)光電載荷的重要組成部分，隱身成為必須具備的功能。國外典型的裝備光電載荷電磁窗的隱身飛機(jī)有F-117 和F-35[1-2]。F-117 將光電轉(zhuǎn)塔安裝于機(jī)殼之下，如圖1 所示，通過光窗對外進(jìn)行觀察。光學(xué)窗口上覆蓋有金屬網(wǎng)柵，主要用于對電磁波進(jìn)行屏蔽，降低飛機(jī)整體的雷達(dá)散射截面(RCS)。F-35 飛機(jī)的光電載荷——EOTS（光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)）使用中波紅外和激光傳感器。EOTS的隱身電磁窗組件是裝載機(jī)頭前下方的藍(lán)寶石隱身窗口，如圖2 所示，采用了7 塊藍(lán)寶石拼接的形式[3-4]，光學(xué)窗口上制作了金屬網(wǎng)柵作為電磁屏蔽層，保證其隱身性能。

圖1 F-117 飛機(jī)光學(xué)窗口Fig.1 Optic windows of F117

圖2 F-35 飛機(jī)的光學(xué)窗口Fig.2 Optic windows of F-35

金屬網(wǎng)柵作為光窗電磁屏蔽的主要途徑之一，在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛使用[5-7]。關(guān)于金屬網(wǎng)柵電磁屏蔽性能計(jì)算，目前有Ulrich、Chen 與LZ 等人建立的等效電路模型[8]及Kohin 建立的等效薄膜模型[9]。這些模型中主要針對金屬網(wǎng)柵的電磁屏蔽進(jìn)行計(jì)算，以本文Kohin 的等效薄膜模型為基礎(chǔ)，引入基底材料帶來的影響，考慮電磁波在不同界面多次反射、折射和干涉效應(yīng)，建立電磁屏蔽效率的計(jì)算模型，利用matlab 程序得到光學(xué)窗口電磁屏蔽曲線，最后制作測試樣片驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

1 金屬網(wǎng)柵等效薄膜模型

Kohin 等效薄膜模型[9]如下：假設(shè)金屬網(wǎng)柵可以等效為一層薄膜，表征為等效折射率ne和等效厚度de。其兩側(cè)是折射率分別為n0和ng的半無窮大介質(zhì)邊界，如圖3 和圖4 所示。網(wǎng)柵等效厚度de必須足夠小以避免干涉效應(yīng)。為此，為使等效薄膜造成的干涉效應(yīng)足夠小而不影響計(jì)算精度，de取值為亞納米量級。

利用薄膜理論導(dǎo)出單層等效薄膜正入射時(shí)的透過率，見（1）式：

根據(jù)傳輸理論，具有不同絕緣邊界的金屬網(wǎng)柵的電磁透過率如下式：

式中R0／Z0和X／Z0分別為Ulrich 的等效電路模型中的等效阻抗和等效電抗。由（1）式～（4）式和等效電路模型中的R0／Z0和X／Z0計(jì)算可得到金屬網(wǎng)柵等效折射率。

2 基底材料計(jì)算模型

實(shí)際中應(yīng)用的光學(xué)窗口，金屬網(wǎng)柵一般是鍍制在光學(xué)窗內(nèi)、外表面或者光學(xué)夾層中?？紤]基底材料影響，利用菲涅爾定律入射波在上下兩個(gè)界面的反射系數(shù)[10]和透射系數(shù)分別為

圖3 金屬網(wǎng)柵模型Fig.3 Model of metal mesh

圖4 等效薄膜模型Fig.4 Model of equivalent film

式中rs1、rs2、ts1-2和ts2-1分別為基底上下表面的反射率，介質(zhì)1 到2 的透過率系數(shù)和介質(zhì)2 到1 的透過率系數(shù)。

電磁波在基底材料中反射的波束相位差為

電磁波入射到2 個(gè)界面時(shí)發(fā)生多次反射和折射。如圖5 所示，界面1 處有反射和折射，界面2處也有反射后折射，而從界面2 反射到界面1 的電磁波又發(fā)生反射和折射，反射部分重復(fù)上述過程。

電磁波在介質(zhì)中多次的反射，隨著電磁波位相的不同將產(chǎn)生干涉，形成曲線諧振。界面1 的反射系數(shù)可按下式計(jì)算：

屏蔽效率S為

利用matlab 編寫計(jì)算程序[11]，輸入網(wǎng)柵參數(shù)為500 μm、15 μm，基底材料為成都光明的K9 玻璃，得到了厚度5 mm、10 mm、15 mm 下的電磁屏蔽效率曲線，如圖6 所示。在10 mm 厚度情況下將基底材料更換為紅外材料ZnS，得到兩種材料的電磁屏蔽曲線，如圖7 所示。通過曲線可以看出，同種材料厚度不同時(shí)會(huì)引起干涉諧振峰增多[12]，不過峰值處數(shù)據(jù)基本相同；當(dāng)材料不同時(shí)，曲線峰值位置有變化。

從（1）式～（9）式可以看出，電磁波相位受基底材料厚度和折射率影響，而相位變化則直接影響曲線諧振峰的分布。根據(jù)上述的仿真計(jì)算，針對不同的需求可優(yōu)化光窗的材料和厚度，從屏蔽效率、光學(xué)性能和機(jī)械性能等多學(xué)科開展綜合設(shè)計(jì)，保證電磁窗的性能滿足系統(tǒng)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

目前武器系統(tǒng)裝備的光電載荷朝向多光譜、共光路、小型化、智能化方向發(fā)展[13]，光窗作為光電系統(tǒng)重要組成之一，要根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的工作波段選擇合適的材料。中波材料一般有藍(lán)寶石、氟化鎂、尖晶石、鍺、硅等材料，長波材料一般為硫化鋅、硒化鋅等[14-15]。結(jié)合現(xiàn)有項(xiàng)目研制工作，在ZnS 基底材料上鍍制含金屬網(wǎng)柵的測試樣片，見圖8 所示，網(wǎng)柵參數(shù)見表1。然后進(jìn)行電磁屏蔽效率測試，測試時(shí)只測試垂直入射的情況，測試設(shè)備為AV3655 隱身目標(biāo)雷達(dá)散射截面測試儀，見圖9所示，理論測試精度為1 dB。

將測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)處理后繪制曲線，見圖10 所示，從曲線中可以看出仿真和測試數(shù)據(jù)曲線趨勢一致。仿真與實(shí)際測試精度誤差約為2 dB～4 dB。造成曲線誤差有3 方面的因素：1）采用等效模型自身存在誤差；2）計(jì)算時(shí)輸入材料的物理參數(shù)和實(shí)際材料之間的差異；3）測試存在一定的誤差。

圖5 電磁波在介質(zhì)中反射/折射Fig.5 Electromagnetic wave reflection/refraction in medium

圖6 厚度不同時(shí)的曲線Fig.6 Curves for different thicknesses

圖7 材料不同時(shí)的曲線Fig.7 Curves for different materials

4 結(jié)論

本文以Kohin 的等效薄膜模型為基礎(chǔ)，計(jì)算基底材料對入射電磁波的多次反射引起的干涉，推出計(jì)算模型并在ZnS 材料上鍍制網(wǎng)柵進(jìn)行測試。通過測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比，兩者誤差約為2 dB～4 dB。由于簡化計(jì)算模型，計(jì)算程序中未引入網(wǎng)柵對基底材料干涉的影響，實(shí)際材料同程序中輸入材料物理參數(shù)差異等因素，仿真曲線同測試數(shù)據(jù)有一定偏差。通過測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在工程研制階段可以快速地預(yù)估光學(xué)窗口屏蔽效率，指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。下一步將金屬網(wǎng)柵對基底材料的影響添加至計(jì)算程序中，進(jìn)一步完善計(jì)算模型，提高計(jì)算精度。

表1 樣片參數(shù)Table 1 Parameters of sample

圖9 測試設(shè)備Fig.9 Equipment for test

圖8 測試樣片F(xiàn)ig.8 Sample for test

圖10 測試和計(jì)算數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Curve of testing and computation