電磁超材料在超寬帶雷達隱身微小衛星設計中的應用

孔祥鯤，孔令奇，姜順流，胡豪斌，張 翔

(1. 南京航空航天大學雷達成像與微波光子技術教育部重點實驗室，南京 210016； 2. 南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引 言

隨著現代各種光電磁探測技術的迅猛發展，傳統通信衛星收到的威脅越來越嚴重。隱身衛星的研制對于反敵方探測和監視具有重要意義，日益引起世界各國的普遍重視[1-3]。美國將隱身技術列為國防三大高技術之一，給予高度關注。

雷達主要工作在3 MHz～300 GHz，其中2～18 GHz頻段的S、C、X、Ku波段是重要的雷達探測波段，也是世界各國力求突破的超寬頻帶雷達隱身頻段。美國自20世紀60年代以來一直開展隱身衛星的研究，先后研制出雷達隱身外形RCA(Radar Camouflage Arrangement)，太空吸波結構SES(Self Erectable Structure)，有效遮擋外形CSASS (Crossed Skirt Antiradar Screen Structure)，衛星隱身外形SSSS(Satellite Signature Suppression Shield)以及“朦朧系列”隱身衛星。可以看到，目前雷達隱身研究和試驗的手段大體分為被動隱身和主動隱身兩類，以降低衛星雷達散射截面(Radar Cross-Section，RCS)為目的，實現的主要途徑有：(1)衛星低RCS結構設計；(2)衛星表面材料設計。其中衛星表面材料設計往往采用吸波材料和漫反射材料，達到RCS縮減的目的，它因為不改變或者極少改變衛星的設計外形顯示出巨大優勢。但是采用傳統的吸波材料，往往產生吸波頻帶窄、體積大、材料重、吸波性能有限等缺陷，不能滿足“薄、輕、寬、強”的性能要求，其在微小衛星隱身領域存在應用局限。

電磁超材料(Metamaterial)是21世紀以來出現的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊電磁特性，而且這些性質主要來自人工的特殊結構而非組成的材料[4-6]。研究人員發現，人工電磁超材料對電磁波調控能力極強，對電磁波的傳播路徑、幅度、方向、極化、相位以及頻譜都有極強的調控能力。電磁超材料吸波體的全新概念就是基于對電磁波振幅的調控，自2008年美國波士頓大學的Landy等學者提出以來[7]，得到世界范圍內學者的廣泛關注。而超寬帶電磁超材料吸波體相對于傳統雷達吸波體，具有帶寬寬、厚度小、吸波性能強等優勢，目前實現多頻或寬頻的主要方法主要有：組合多個諧振結構單元[8-10]；多層諧振結構耦合[11-13]；加載集總電子元件[14-16]；加載高阻表面[17-22]等。

本文設計了兩種不同類型的電磁超材料雷達吸波體，分別適用于微小衛星星體及太陽能電池陣受光面，達到超寬帶隱身的目的。其中適用于衛星星體的吸波體采用多層耦合實現結構單元的小型化，結合高阻表面技術，建立全方位多維度(寬角、超寬帶)耦合型吸波體實現2～18 GHz，覆蓋S、C、X、Ku頻段的吸波體。適用于太陽能電池陣受光面的吸波體則采用光學透明的氧化銦錫(ITO，Indium Tin Oxides)結合石英玻璃媒質構建單層電磁超表面，利用對電磁波極化方式的調控和吸收實現X、Ku頻段范圍內的寬頻散射和吸波，達到RCS有效降低的目的。論文首先給出微小衛星隱身設計的要求；然后根據性能要求設計衛星星體電磁超表面多層復合結構，太陽能電池陣單層透光超表面結構單元；優化各層結構參數和材料電性能參數；對兩種超材料樣品的吸波性能，以及衛星整星加載吸波材料前后的單站RCS進行仿真；完成實物樣品加工后，在微波暗室系統中對其電性能進行測試比對，驗證實驗樣品的隱身性能。

1 微小衛星隱身材料設計要求

1.1 星體及太陽能電池陣背光面隱身材料設計要求

微小衛星星體及太陽能電池陣被光面相對平整，但面積有限。需要在有限的表面足夠多的排布超材料的周期結構單元，因此結構單元具有小型化的結構特點。針對2～18 GHz的主要雷達探測波段,需要實現寬頻帶的吸波性能，吸波效率達到90%以上的頻帶覆蓋S、C、X、Ku波段；同時衛星對地姿態具有不確定性，因而吸波頻帶需要同時滿足大角度入射條件下，吸收或者散射電磁波效果顯著。

在實際工程應用中，由于隱身材料需要安裝在星體表面，需要一定的結構強度，但又不能重量過重導致載荷增加過多，材料重量不大于10 kg/m2。為了不影響星體的結構和形狀，材料厚度需要控制在15 mm以內。此外，為了克服外太空原子氧對電磁超材料結構的剝蝕，需要對材料表面結構進行保護，并且考慮隱身材料同其下層的絕熱材料裝配結合。

1.2 太陽能電池陣正面隱身材料設計要求

太陽能電池陣是衛星工作的主要能量來源，隱身材料的設計必須在滿足寬帶低散射的同時保持電池陣受光面具有高透光率。需要解決利用透光材料代替傳統低散射材料的問題，同時滿足寬帶、小型化、結構強度、抗原子氧剝蝕、重量限制等要求。

1.3 技術難點

該微小衛星隱身材料的設計技術難點包括以下幾點：(1)需要針對超寬帶吸波帶寬，建立耦合型吸波結構電磁參數模型和表征方法，構建吸波及散射性能優異的結構設計方案；(2)應用寬頻吸波器傳輸線模型的建模仿真和參數優化方法，得到吸收率大于90%條件下，帶寬增加的實現方式；(3)為了提高隱身材料的結構強度、抗原子氧剝蝕能力，降低多層耦合材料厚度，需要將結構強度材料、層間粘合膠膜和結構保護材料綜合考慮，聯合仿真；(4)需要將光學透明的ITO取代傳統金屬諧振結構，結合高透光玻璃，實現超寬帶低散射單層ITO結構電磁超表面結構設計；(5)由于受光面低散射材料需要較高的透光率，因此不能采用多層ITO結構設計達到帶寬拓展的目的，對帶寬拓展有較大限制；(6)由于衛星姿態，探測方向的不確定性，兩類吸波結構需要實現大角度范圍內吸波性能較好，吸波頻帶不能隨角度有過大的波動。

2 結構設計與性能分析

2.1 多層結構超寬帶吸波體設計與性能分析

為了實現2～18 GHz超寬帶范圍內電磁波的吸收，本文采用等效電路理論分析方法和阻抗分析方法。先分析多層超材料需要滿足的諧振特點、諧振頻率以及阻抗特性，再尋找滿足該諧振特性的結構與它對應，最終通過優化確定各層結構參數。這里采用材料電磁損耗較大的環氧樹脂玻璃纖維板(FR-4，介電常數ε=4.4，損耗正切角tanδ=0.02)作為結構附著基底層，具有一定阻值的高阻碳漿構建結構層，其方阻值為50Ω/m2。理想電性能超材料單元結構示意圖及三維空間分布圖如圖1所示。單元尺寸參數為p=11 mm,a=9.8 mm,b1=2.3 mm,b2=9 mm,c=10 mm,d1=0.3 mm,d2=d3=1 mm,h1=4 mm,h2=2 mm,h3=3.4 mm。

圖1 理想電性能超材料單元結構示意圖Fig.1 Schematic of the proposed metamaterial absorber

由于微小衛星發射后工作于外太空，除了具備一定的隱身性能以外，還需要具備在外太空惡劣條件下依舊能正常工作的能力，因此相對于傳統的超材料吸波體，本文所提出的電磁超材料吸波體，在結構方面進行了一定的改進。如圖1所示，為了保證該超材料具有一定的結構強度，本文引入了芳綸紙蜂窩夾芯板替換傳統吸波體中的空氣層，為了使各層吸波層能夠緊密連結，加入了膠膜并對超材料吸波體進行高溫壓合以增加結構強度和隔絕空氣。同時，為了使超材料吸波體能夠抵抗外太空原子氧對表面結構的剝蝕，在每層印刷電阻墨水的吸波層表面貼覆了聚酰亞胺膜(PI膜，介電常數ε=3.5，損耗正切角tanδ=0.0027)。

圖2 垂直入射條件下，反射率和吸波率曲線Fig.2 Simulated reflectivity and absorptivity spectra of the metamaterial absorber under normal incidence

2.2 透光型混合結構寬帶吸波體設計與性能分析

為保證所設計的隱身結構具有良好的光透性，讓太陽能電池陣能夠正常工作，在仿真優化中始終保持只使用1層ITO膜作為單元結構。如圖3所示，所設計的可見光透明隱身結構主要由三層結構層疊而成。最上層和底層分別為2 mm和1.1 mm厚的高透光玻璃，這兩層玻璃中間由材質為ITO的單元結構周期性排列而成，其中ITO層的方阻值為25Ω/m2。如圖3所示，中間層的單元結構由一個圓形ITO結構和一對長度不相等的弧形ITO結構組成，單元結構的參數如下：a=b=7.5 mm,w1=2.4 mm,w2=2.6 mm,R1=R2=3.7 mm,R3=0.8 mm,α=125°,β=195°。由于該隱身結構應用于太陽能電池陣表面上，經測試，該太陽能電池陣可做金屬背板使用。因此設計的透光隱身結構為反射型。仿真中，我們直接用太陽能電池陣代替金屬背板置于整個隱身超表面結構的底部。

圖3 透明超表面單元結構示意圖Fig.3 Configuration of the unit-cell of the proposed metamaterial absorber with high opticaltransparency

借助于CST微波工作室，對所設計的光透隱身超表面的單元結構進行仿真。獲得的共極化與交叉極化反射系數如圖4所示?？梢钥闯?，7.0 GHz至17.6 GHz頻段范圍內，共極化反射系數值和交叉極化反射系數值均在-10 dB以下。在7～18 GHz頻段內，水平(或垂直)極化的平面波垂直入射時，有一小部分入射波發生了極化轉換，有很大一部分入射波被吸收掉，而反射的電磁波能量極少。通過計算，光學透明隱身超表面的吸波率如圖4所示，在7～18 GHz頻段范圍內，吸波率均達到80%以上，在11.2～17.4 GHz內，吸波率可以達到90%。達到隱身頻段覆蓋X和Ku波段的設計目標。

圖4 垂直入射條件下共極化和交叉極化反射系數Fig.4 Co-polarized and cross-polarized reflection spectra of transparent absorbers under normal incidence

2.3 衛星整體加載隱身材料單站RCS分析

為研究整星加載超表面前后的隱身效果，建立簡化后的衛星模型，設置平面波入射，仿真未鋪有超表面和有超表面覆層的雙站RCS。為了對比顯示出超表面的隱身作用，只在衛星正面涂有吸波覆層，而在衛星背面無覆層。衛星在6 GHz頻率平面波入射條件下的雙站RCS如圖5所示，(b)圖中涂有高阻表面一側的RCS與(a)圖中金屬的相比有明顯的縮減，這充分說明了超表面可以較好地實現衛星RCS縮減的目的。

圖5 6 GHz頻點處整星雙站RCSFig.5 Bistatic RCS patterns at 6 GHz for the whole satellite

另外，我們還仿真了在不同頻點處，衛星的xoz面和yoz面內的單站RCS縮減情況，圖6給出了單站RCS掃描平面示意圖。利用CST微波工作室中的多層快速多極子求解算法(MLFMM)來計算2 GHz, 6 GHz和12 GHz時，在φ=0 (即xoz面內)和90°(即yoz面)面內不同入射角度下的單站RCS，

圖6 單站RCS掃描平面示意圖Fig.6 Schematic of the monostatic RCS scanning plane

如圖7所示?？梢钥闯鐾坑懈咦璞砻娴男l星的RCS在絕大部分角度下的單站RCS都遠小于全金屬表面衛星的RCS，表明超材料覆層可以在寬頻帶內有效地降低單站和雙站RCS，極大地提高衛星的隱身性能。由圖7還可以篩查出RCS縮減明顯的角度范圍，為衛星對地姿態的調制提供依據。由圖8給出的衛星整星單站RCS縮減頻譜可知，在1～20 GHz的頻帶范圍內，單站RCS縮減平均值能達到18 dB。當然，以上仿真數據獲得的前提是衛星模型簡化，表面特別平整，不考慮吸波材料分布不均勻，是一種極其理想的情況，具體工程實際中會有一定偏差。

圖7 衛星被電磁超表面覆蓋前后計算的單站RCS對比Fig.7 Comparison of the monostatic RCS obtained by simulation before and after satellites are covered by metasurface

圖8 單站RCS縮減效果Fig.8 The effect of the monostatic RCS reduction

3 隱身材料加工樣件與電性能測試

3.1 多層結構超寬帶吸波體性能測試與比對

為了通過實驗進一步驗證所涉及的電磁超材料吸波體的電磁性能，加工出的復合電磁超材料吸波體樣件實物如圖9所示，實物樣件每層的單元結構數為30×30，邊長為330 mm×330 mm，整體厚度為11.5 mm。在每層吸波層加工了4個定位孔，以便于保證每層單元結構縱向上一一對應。同時，表面貼覆PI膠膜且加入芳綸紙蜂窩夾芯板的效果如圖9所示，PI膜厚度僅為0.03 mm。，可見芳綸紙蜂窩不僅保證了吸波材料的結構強度，還保證了吸波層介質基板的平整性，增強了電磁超材料吸波體電磁性能的穩定性。

圖9 電磁超材料實物圖Fig.9 Sample of the metamaterial

圖10 測試與仿真結果比對Fig.10 Comparison of test and simulation results

該吸波材料的彎曲剛度經測試為1.9×106N·mm，密度6.3 kg/m2，可通過預埋固定件裝配衛星。樣件的導熱系數10-5W/(m·K)，相當于15層隔熱多層材料，整體厚度小于12 mm。由于高阻碳漿結構表面均覆蓋了PI膜，所以可以有效抵御外太空原子氧的剝蝕。

3.2 透光型混合結構寬帶吸波性能測試與比對

透光型混合結構構建的超材料樣品如圖11(a)所示。周期性ITO結構通過激光蝕刻技術噴鍍在玻璃上，加工精度最小為10 μm。超薄層光學透明粘合劑用于粘合上下玻璃板以保證優異的透光性能。所加工的實物尺寸為300×300 mm,與提供的太陽能電池陣樣件配合使用。如圖11(b)所示，光學透過率通過透光率測試儀(LH-221)進行測量，該儀器透光率偏差小于1%。通過隨機選取多點測量，樣品整體的可見光透光率在80%以上,而紅外和紫外光的透光率低于70%。在可見光波段內，平均透光率可達到83.8%，最高透光率可達到87.6%。

圖11 透光型吸波體樣品及透光率測試圖Fig.11 The absorber sample with high optical transparency and transmittance test

采用和多層結構超寬帶吸波體相同的測試環境，樣品的吸波性能可以通過自由空間法測量反射系數表征。圖12顯示了透光型吸波超材料樣品在6～18 GHz范圍內的測量共極化反射系數。由測試數據可以看出，樣品在7～18 GHz范圍內獲得了較大吸收率，在正入射條件下吸波率大于87%。仿真和測量的吸收帶寬之間的微小偏差主要是由于制造和組裝公差、測量誤差以及ITO表面電阻的不確定性引起的。仔細比對實驗與仿真結果，會發現實驗獲得的吸波率較仿真值有輕微下降，但諧振頻點兩者吻合良好，證明了本文提出的吸波體方法是可行的，在實際應用中確實可以高效地減少后向反射，顯示出對太陽能電池陣受光面單站RCS縮減的潛力，同時保證了高透光性，確保太陽能電池陣主要性能的穩定。該吸波材料密度為7.7 kg/m2，整體厚度3.1 mm。

圖12 測試與仿真結果比對Fig.12 Comparison of test and simulation results

4 結 論

本文針對微小衛星在雷達頻段面臨的寬帶隱身問題，提出利用電磁超材料實現微小衛星隱身的方案，設計了兩種不同類型的電磁超材料雷達吸波體。其中多層結構超寬帶吸波體適用于微小衛星星體及太陽能電池陣背光面，工作頻帶覆蓋S、C、X、Ku頻段；透光型混合結構寬帶吸波體適用于衛星電池陣受光面，隱身頻帶覆蓋X、Ku頻段，同時滿足高透光型的要求。樣件及整星的仿真和實驗結果表明，利用電磁超材料構建的雷達吸波體可以實現超寬頻帶電磁波的有效吸收，達到衛星整星RCS縮減的目的，隱身性能良好。該材料不論是機械強度、密度、透光性、還是抗原子氧剝蝕能力都具備潛在的工程應用價值。