一體化光學(xué)透明紅外與雷達(dá)兼容隱身復(fù)合超表面

肖桐，田昌會(huì)，徐翠蓮，高志強(qiáng)

（空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部，西安710051）

0 引言

隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日益復(fù)雜和多頻譜復(fù)合探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的探測(cè)手段以及探測(cè)設(shè)備對(duì)現(xiàn)有裝備的生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此常規(guī)的單一波段隱身能力已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求。針對(duì)目前主要的探測(cè)手段——紅外探測(cè)和雷達(dá)探測(cè)，如何有效實(shí)現(xiàn)二者的兼容隱身是當(dāng)前隱身材料技術(shù)中的研究熱點(diǎn)［1-5］。

作為主動(dòng)探測(cè)技術(shù)，雷達(dá)探測(cè)需要主動(dòng)發(fā)射并接收雷達(dá)波，據(jù)回波信號(hào)的特征對(duì)目標(biāo)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、跟蹤甚至截獲。因此雷達(dá)隱身要求材料能夠盡可能減少對(duì)雷達(dá)波的反射，目前“漫反射”和吸波是常用且有效的技術(shù)手段。與雷達(dá)探測(cè)不同的是，紅外探測(cè)是被動(dòng)探測(cè)，只依據(jù)目標(biāo)自身的紅外輻射進(jìn)行探測(cè)，目標(biāo)紅外輻射特征越強(qiáng)就越容易被發(fā)現(xiàn)，因此對(duì)于紅外隱身材料的核心要求就是減少紅外輻射，而降低材料紅外發(fā)射率是當(dāng)前主流且有效的做法。根據(jù)基爾霍夫定律，低發(fā)射意味著低吸收同時(shí)也意味著高反射，這一點(diǎn)與雷達(dá)隱身所要求的低反射是矛盾的。如何有效地解決這一矛盾是紅外-雷達(dá)兼容隱身的核心所在［6-8］。當(dāng)前，研究者們?cè)谶@一領(lǐng)域已做出了一些有效的嘗試。一些研究者提出把氧化鋅（ZnO）、三氧化二銦（In2O3）等半導(dǎo)體材料粉碎后和樹脂、漆等基料進(jìn)行混合形成復(fù)合涂料，以期通過調(diào)節(jié)摻雜半導(dǎo)體的粒度和涂層厚度來調(diào)節(jié)雷達(dá)波和紅外輻射的反射和吸收［9-11］。但是，受限于紅外和雷達(dá)隱身對(duì)于材料要求的矛盾，想要在提升雷達(dá)吸波能力的同時(shí)降低紅外發(fā)射率是非常困難的。也有一些研究者提出利用光子晶體實(shí)現(xiàn)兼容隱身的目的［12-13］。光子晶體在抑制紅外輻射、紅外與激光以及可見光兼容隱身方面優(yōu)勢(shì)突出，但在雷達(dá)隱身方面具有一定的局限性［14-15］。

近年來，超材料在隱身技術(shù)中引起了很大關(guān)注。而超表面作為一種特殊的二維超材料，更適合于紅外-雷達(dá)兼容隱身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。例如，ZHANG C 等提出了一種多層超表面結(jié)構(gòu)，厚度為2.26 mm，可以實(shí)現(xiàn)8～16 GHz 的寬帶微波吸收，同時(shí)紅外發(fā)射率控制在0.2［16］。TIAN Hao 等設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)，吸波頻段可以覆蓋整個(gè)X 波段，同時(shí)紅外發(fā)射率小于0.3［1］。XU C 給出了同時(shí)具有五個(gè)強(qiáng)微波吸收峰和低紅外發(fā)射率的雷達(dá)紅外隱身兼容結(jié)構(gòu)［17］。但這些研究使用的都是不透明材料。此外，對(duì)于可見光透明超材料，也有研究報(bào)道。SHRESTHA S 展示了一種可見光透明紅外吸收體，其在4～16 μm 范圍內(nèi)的吸收率大于80%［18］。ZHANG C 等提出了一種光學(xué)透明的微波寬帶吸收體，在8.3～17.4 GHz 范圍內(nèi)吸收率大于90%［19］。這些研究雖然融合了可見光，但都沒有實(shí)現(xiàn)可見光、紅外和雷達(dá)的兼容隱身。目前，針對(duì)可見光透明的紅外-雷達(dá)兼容隱身材料研究，基本思路都是在雷達(dá)吸波層上覆蓋紅外低發(fā)射層，該紅外低發(fā)射層在微波頻段具有較高的透射率。例如，MENG Z 等提出一種可見光透明的多層復(fù)合超表面結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)11.2～33.9 GHz 范圍內(nèi)寬帶微波吸收，同時(shí)紅外發(fā)射率控制在0.3［20］。徐翠蓮等通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了更高帶寬的微波吸收，同時(shí)兼顧了紅外低發(fā)射率以及可見光透明［21］。這種設(shè)計(jì)思路利用可見光透明的兩個(gè)功能層分別實(shí)現(xiàn)紅外和雷達(dá)的隱身要求，具有方便調(diào)控的特點(diǎn)，但由于多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且增加了材料厚度，使得光學(xué)透明效果有所下降。

本文利用透明導(dǎo)電氧化銦錫（ITO）材料，設(shè)計(jì)了一種紅外-雷達(dá)兼容隱身超表面，將紅外低發(fā)射層和雷達(dá)吸波層進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，厚度僅為1.17 mm。實(shí)現(xiàn)了微波波段15.9～35.1 GHz 頻帶內(nèi)吸收率高于90% 的寬帶吸波；通過提高吸波層表面ITO 占比的方式實(shí)現(xiàn)了紅外波段3.0～14.0 μm 的低發(fā)射，平均發(fā)射率為0.25左右，并進(jìn)一步研究了其光學(xué)透明特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足光學(xué)透明的要求，整個(gè)結(jié)構(gòu)所用材料均為光學(xué)透明材料。圖1 為單元結(jié)構(gòu)的示意圖。該結(jié)構(gòu)頂層使用方阻為6.0 Ω/sq 的ITO，并刻蝕出圖1（b）所示的圖案，ITO 基底采用厚度為d1的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯作為一種可見光透明的材料，其介電常數(shù)為3.0（1?j0.06）。ITO 是一種N 型氧化物半導(dǎo)體材料，是氧化銦錫和銦氧化物的混合物。由于其具有接近金屬的電阻率同時(shí)還有光學(xué)透明的特性，因此在液晶顯示、光伏材料、建筑玻璃領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，隨著武器裝備光學(xué)透明窗口隱身需求的快速發(fā)展，低阻值的ITO 薄膜所具有的紅外低發(fā)射率特性受到了眾多研究者的關(guān)注，因此在紅外雷達(dá)兼容隱身領(lǐng)域有著巨大發(fā)展前景。ITO 在可見光范圍是透明的，在紅外波段的介電常數(shù)滿足Drude 模型［22］

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the unit structure

式中，εb=3.9；等離子體頻率ωp=461 THz；碰撞頻率ωc=28.7 THz。計(jì)算可得介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)，這表明ITO 在紅外波段的行為類似于金屬。結(jié)構(gòu)底部采用方阻為6.0 Ω/sq 的整片ITO 薄膜作為反射背板，頂層和底層中間使用厚度為d2的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），其介電常數(shù)為2.25，損耗角正切值為0.001。結(jié)構(gòu)頂層的圖案由四種不同尺寸的方形貼片組成，分別為邊長(zhǎng)為a2的中心正方形，邊長(zhǎng)為a1的四個(gè)較大的正方形，邊長(zhǎng)為a3的外圍小正方形，以及四個(gè)長(zhǎng)邊為b2，短邊為b1的長(zhǎng)方形。優(yōu)化后的尺寸為：a1=1.10 mm，a2=0.30 mm，a3=0.10 mm，b1=0.20 mm，b2=1.05 mm，d1=0.17 mm，d2=1.00 mm。另外，方阻為6.0 Ω/sq 的ITO 薄膜厚度約為175 nm，該厚度由于工藝問題可能略有浮動(dòng)，但由于和整體結(jié)構(gòu)厚度相比量級(jí)很小，因此ITO 薄膜層的厚度對(duì)整體試驗(yàn)沒有影響。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)表面ITO 和PET 兩種不同發(fā)射率材料的占空比，整體結(jié)構(gòu)的總發(fā)射率可表示為［23］

式中，ε 是整個(gè)結(jié)構(gòu)的發(fā)射率，εITO和εS分別是ITO 和用于ITO 蝕刻的襯底材料即PET 的發(fā)射率。fITO為ITO部分的占空比（ITO 面積/總面積），fS=1?fITO，為襯底材料PET 的占空比。片狀電阻為6 Ω/sq 的ITO 的發(fā)射率在0.1 左右，PET 的發(fā)射率一般低于0.9。經(jīng)過計(jì)算，該結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率僅為0.25。

1.2 仿真與分析

利用CST 微波工作室軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的吸收、反射和透射進(jìn)行計(jì)算。x、y方向采用unit cell 邊界條件，±z方向分別設(shè)置兩個(gè)激勵(lì)端口，一個(gè)為發(fā)射端口，另一個(gè)為接收端口。圖2 為電磁波垂直入射時(shí)反射率、透射率和吸收率的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，由于ITO 反射背板的存在，該結(jié)構(gòu)的透射率幾乎為0。反射率在15.9～35.1 GHz 范圍內(nèi)低于10%，而吸收率通過計(jì)算得到，其中為反射率，該結(jié)構(gòu)在15.9～35.1 GHz 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了吸收率高于90%的寬帶吸波。

圖2 吸收、反射以及透射率仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of absorption，reflection and transmittance

圖3 為不同入射角下的吸收率。對(duì)于TE 模式，在入射角小于30°時(shí)該結(jié)構(gòu)能夠保持較高的吸收率，隨著角度進(jìn)一步增大，低頻部分的吸收率下降較多。對(duì)于TM 模式，入射角較小時(shí)該結(jié)構(gòu)吸收率只有0.8 左右，而隨著入射角增加至35°，該結(jié)構(gòu)在20.1～35.0 GHz 范圍內(nèi)能夠保持90%的吸收率。說明該結(jié)構(gòu)在TM 模式下的大入射角吸波能力強(qiáng)于TE 模式。這是由于入射面上磁場(chǎng)分量的變化引起的。對(duì)于TE 模式，入射面的磁場(chǎng)分量可以表示為Hx－y=Hcosθ，其中H是入射電磁波磁場(chǎng)強(qiáng)度，θ為入射角?？梢钥吹诫S著入射角的不斷增大，入射面的磁場(chǎng)分量會(huì)不斷減小，從而導(dǎo)致較弱的磁共振。而對(duì)于TM 模式，入射面上始終保持穩(wěn)定的磁場(chǎng)分量，因此吸波能力隨著入射角度的增大表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

圖3 不同入射角的吸收率仿真結(jié)果Fig.3 Absorption simulation results of different incident angles

為進(jìn)一步分析該兼容隱身結(jié)構(gòu)的吸波機(jī)理，通過CST 電磁仿真軟件監(jiān)視了兩個(gè)吸收峰（18.7 GHz 和30.5 GHz）處的表面電流分布情況，如圖4。通過觀察可以看出在兩個(gè)頻點(diǎn)處發(fā)生強(qiáng)烈諧振的均為中間小正方形貼片以及四周四個(gè)大正方形，但不同的是在低頻點(diǎn)（18.7 GHz）處，表面電流從上方單元經(jīng)中間的小正方形貼片后流向下方單元，即形成單元間耦合；而在高頻點(diǎn)（30.5 GHz）處，表面電流經(jīng)中間小正方形在上下兩組大正方形之間流動(dòng)，即形成單元內(nèi)耦合。

圖4 兩個(gè)吸收峰處表面電流分布情況Fig.4 Surface current distribution at the two absorption peaks

通過表面電流的分析，發(fā)現(xiàn)形成諧振結(jié)構(gòu)的幾乎只有中間小正方形貼片和四周四個(gè)大正方形貼片，而四個(gè)長(zhǎng)方形貼片以及外圍正方形貼片對(duì)于諧振消耗的貢獻(xiàn)很小。圖5 考察了在沒有四個(gè)長(zhǎng)方形貼片以及外圍正方形貼片的情況下，整體結(jié)構(gòu)的吸收率。從圖中可以看到，中間長(zhǎng)方形貼片和外圍正方形貼片對(duì)整體結(jié)構(gòu)吸收率的影響主要集中在高頻部分，當(dāng)中間長(zhǎng)方形貼片不存在時(shí)高頻部分90%吸收的帶寬能夠提高將近5 GHz，但這也意味著結(jié)構(gòu)表面ITO 占比的降低，進(jìn)而影響了整體結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率。經(jīng)過計(jì)算，S3單元結(jié)構(gòu)表面ITO 占比為63%，此時(shí)計(jì)算出紅外發(fā)射率約為0.4，相比于S4單元結(jié)構(gòu)0.25 的紅外發(fā)射率有著較大幅度的上升。綜合紅外低發(fā)射和微波高吸收的要求，最終選擇了如S4所示的單元結(jié)構(gòu)。

圖5 不同表面結(jié)構(gòu)的吸收率曲線Fig.5 Absorption rate curves of different surface structures

2 實(shí)驗(yàn)及討論

2.1 樣品加工及微波吸收性能

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，通過激光蝕刻技術(shù)將沉積在光學(xué)透明PET 基板上的導(dǎo)電ITO 膜蝕刻成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，如圖6。圖6（a）展示了所加工的樣品，尺寸為360 mm×360 mm。圖6（b）為表面結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖。

圖6 光學(xué)透明紅外-雷達(dá)兼容隱身超材料樣品Fig.6 Optical transparent infrared radar compatible stealth metamaterial sample

該紅外-雷達(dá)兼容隱身結(jié)構(gòu)在微波段的吸波性能在微波暗室中完成測(cè)試。測(cè)量系統(tǒng)由安捷倫N5224A網(wǎng)絡(luò)分析儀和三對(duì)寬頻帶喇叭天線組成，如圖7（a），喇叭的工作頻段分別為12.4～18.0 GHz、18.0～22.4 GHz 以及22.4～40.0 GHz。每對(duì)喇叭天線其中一個(gè)充當(dāng)電磁波發(fā)射器，另一個(gè)充當(dāng)電磁波接受器，可測(cè)量反射率。測(cè)量時(shí)，首先選用相同尺寸的金屬底板進(jìn)行歸一化，然后對(duì)反射率進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算后的吸收率曲線如圖7（b），其中實(shí)線為仿真結(jié)果，虛線為測(cè)量結(jié)果?？紤]到樣品加工中ITO 的方阻以及尺寸可能存在誤差，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合。

圖7 微波測(cè)試裝置既實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of microwave test device

2.2 光學(xué)透明特性和紅外隱身性能

圖6（b）展示了該結(jié)構(gòu)的光學(xué)透明特性，為了精確表征其光學(xué)透明性能，使用紫外-可見光分光光度計(jì)（型號(hào)：UV-3600 plus）測(cè)量了整體結(jié)構(gòu)的可見光透射率，結(jié)果如圖8。經(jīng)過計(jì)算，整體結(jié)構(gòu)可見光平均透過率約為0.704，該結(jié)果有效地說明了所設(shè)計(jì)的一體化紅外-雷達(dá)兼容隱身復(fù)合超表面在可見光波段具有較好的光學(xué)透明性能。

圖8 可見光透過率測(cè)試結(jié)果Fig.8 Experimental results of optical transmittances

針對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率，分別采用TSS-5X 紅外發(fā)射率測(cè)試儀（光譜響應(yīng)范圍：2～22 μm）和FTIR 光譜儀對(duì)樣品的發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量。利用TSS-5X 紅外發(fā)射率測(cè)試儀分別對(duì)6.0 Ω/sq 的ITO 薄膜、PET 基底以及蝕刻了ITO 圖案的材料樣品進(jìn)行測(cè)量，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性，每種材料都選取五個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1。將所測(cè)得ITO 薄膜和PET 的發(fā)射率帶入式（2）中，求得發(fā)射率為0.246，這與測(cè)量得到的所設(shè)計(jì)材料樣品紅外發(fā)射率平均值0.248 十分接近。

表1 TSS-5X 紅外發(fā)射率測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of TSS-5X infrared emissivity tester

進(jìn)一步，利用FTIR 光譜儀測(cè)量得到了3.0～14.0 μm 波段范圍內(nèi)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的樣品的紅外發(fā)射率，結(jié)果如圖9?？梢钥吹焦庾V范圍內(nèi)發(fā)射率在0.25 左右，計(jì)算波段范圍內(nèi)的平均發(fā)射率為0.255，與理論計(jì)算值和TSS-5X 紅外發(fā)射率測(cè)試儀所得到的測(cè)量值都比較接近，可以認(rèn)為所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有比較好的紅外隱身能力。

圖9 FTIR 光譜儀測(cè)量對(duì)紅外發(fā)射率的測(cè)量結(jié)果Fig.9 Result of infrared emissivity measurement by FTIR spectromete

3 結(jié)論

基于可見光透明材料氧化銦錫（ITO）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一體化的可見光透明紅外-雷達(dá)兼容隱身復(fù)合超表面。通過提高雷達(dá)吸波層表面ITO 占空比的方法，在保證雷達(dá)吸波性能的前提下降低了紅外波段3.0～14.0 μm 的發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)了微波波段15.9～35.1 GHz 頻帶范圍內(nèi)高于90%的寬帶吸波以及紅外波段0.25 左右的低發(fā)射率，同時(shí)具有可見光透過率高、厚度薄的特點(diǎn)，在多光譜隱身領(lǐng)域具有很大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。