柔性透明雷達-紅外兼容隱身超材料設計

汪 濤，何賀賀，丁夢迪

(1.合肥工業(yè)大學 微電子學院，安徽 合肥 230601；2.中國科學技術大學 信息科學與技術學院，安徽 合肥 230027)

0 引言

近年來，隨著隱身與反隱身技術能力的提升，復合探測技術進入了快速發(fā)展階段。常規(guī)單一波段的隱身材料已經難以滿足現(xiàn)代及未來軍事應用的需求，研制雷達、紅外、激光等多波段兼容隱身材料成為了隱身技術發(fā)展的必然趨勢[1-4]。雷達、紅外探測是兩個主流的檢測技術，它們在軍事領域上經常被一起使用。因此，開發(fā)出雷達-紅外兼容的隱身材料具有重要的實際意義。

通常雷達隱身材料表現(xiàn)出低反射和高吸收，而紅外隱身材料則表現(xiàn)出高反射和低吸收[5]。根據(jù)Kirchhoff定律，同一溫度下，發(fā)射率等價于吸收率。由此看來，普通材料很難實現(xiàn)雷達波的高吸收、紅外波段的低發(fā)射，二者是相互矛盾的。一些研究者嘗試用氧化鋅(ZnO)、氧化鎳(NiO)等半導體微粒和基料復合成涂料[6-10]，通過調節(jié)摻雜濃度與涂層厚度進而控制雷達波的吸收、紅外波的反射。但是，該方法存在制備過程復雜、難以準確地調控摻雜比例和涂層厚度等缺點。也有一些研究指出采用光子晶體能夠有效抑制紅外發(fā)射，實現(xiàn)與雷達波的雙重隱身設計[1,11-13]。雖然光子晶體在紅外及可見光隱身方面有很大的優(yōu)勢，但是在雷達-紅外兼容隱身方面具有很大的局限性。

經過人工設計的超材料因其具有獨特的電磁特性如負折射率、負磁導率等，能夠實現(xiàn)電磁波的完美吸收[14-16]。相比傳統(tǒng)材料，更大的可設計性、自由度以及出色的選頻特性使得超材料為實現(xiàn)雷達-紅外雙重隱身提供了新途徑。當前報道了幾種基于超材料實現(xiàn)多波段隱身的結構[2-3,17-18]，但都不易與目標共形且不具有光學透明性，應用范圍受限。此外，一些研究人員設計并實現(xiàn)了柔性透明的雷達吸波器，但都不能兼容紅外隱身[19-22]。

本文提出了一種柔性透明的雷達-紅外兼容隱身超材料吸收器(Metamaterial Absorber，MMA)，它能夠有效地應對多頻譜復合探測。模擬結果表明在橫電(TE)和橫磁(TM)波極化時入射角分別不超過60°和65°情況下，該MMA在4.58～28.95 GHz的頻率范圍內顯示出吸收率大于90%的寬帶吸波，且由計算得到的紅外發(fā)射率不超過0.361。此外，擬議的結構采用了柔性透明的氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)膜和聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)基板，易與目標物體共形，極大地拓展了應用范圍。

1 結構設計

為了實現(xiàn)雷達-紅外兼容隱身設計，獲取具有低紅外發(fā)射率的材料格外重要。紅外隱身層既要滿足目標低發(fā)射率的要求，還要實現(xiàn)微波的高效透過，電磁波只有順利進入雷達吸收層(Radar Absorber Layer,RAL)才能被有效吸收。雖然金屬材料的發(fā)射率比較低，但受溫度影響較大，尤其在表面形成氧化層后，發(fā)射率會急劇增加。為了解決該問題，采用柔性透明的ITO膜構造紅外低發(fā)射層(Infrared Shielding Layer,IRSL)。ITO在紅外頻段的介電常數(shù)滿足Drude模型[23]：

(1)

其中，ωp/2π=488.43 THz，γ/2π=29.02 THz，εb=3.95。由式(1)可知紅外波段介電常數(shù)的實部為負值，發(fā)射率較低，具有類金屬特性。更可觀的是，ITO的氧化性能優(yōu)于金屬材料，并且可通過調節(jié)方阻改變發(fā)射率[24]。雖然連續(xù)的ITO薄膜能實現(xiàn)良好的紅外隱身，但當厚度大于趨膚深度時電磁波將被強烈反射。因此，這里采用低通特性的頻率選擇表面(Frequency Selective Surface,FSS)實現(xiàn)了低紅外發(fā)射和高微波透過，擬議的單元結構模型如圖1所示。圖1(b)是IRSL的俯視圖，它由邊長為l1，間隙為m的ITO貼片周期性排列而成。基于駐波理論周期性貼片的諧振頻率滿足

(2)

式中，εr為匹配層的介電常數(shù)，c=3×108m/s為真空中的光速。由式(2)可知ITO貼片越小，對應的諧振頻率越大，低頻的微波穿透性越好。

擬議的雷達-紅外兼容隱身結構由IRSL和RAL組合而成。FSS采用不同方阻的ITO膜進行設計，基板材料選用介電常數(shù)為2.56+j0.025的PVC，見圖1(a)。IRSL和最底層ITO反射背板的方阻均為6 Ω/sq。圖1(c)和(d)為RAL的兩個FSS，方阻均為120 Ω/sq。優(yōu)化后的結構參數(shù)如下：p=11 mm，d1=1 mm，d2=2.1 mm，d3=2.3 mm，d4=2.5 mm，l1=0.82 mm，l2=8.2 mm，l3=4.6 mm，l4=10 mm，l5=2.2 mm，m=0.18 mm。

圖1 單元結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the unit structure

采用商業(yè)電磁軟件CST Microwave Studio建模仿真，x和y方向的邊界條件為unit cell，±z方向設置為Floquet激勵端口。圖2(a)計算了不同ITO貼片尺寸時IRSL雷達波透射率，可以看出，貼片尺寸越小透射率越大，當ITO貼片邊長為0.8 mm時，雷達波透射率大于0.9。因此，IRSL可以被視作一個低通FSS，只允許低于諧振點的微波順利通過。圖2(b)給出了電磁波垂直入射下的仿真結果。由于最底層的ITO反射背板阻礙了電磁波向下傳播，所以該結構的透射率幾乎為零。吸收率可以計算為A(ω)=1-R(ω)=1-|S11|2，其中R(ω)=|S11|2為反射率。該結構在4.58～28.95 GHz的工作帶寬內實現(xiàn)了吸收率大于90%的寬帶吸波，相對帶寬為145.36%，厚度僅為0.12λL(λL為工作頻段最大波長)。

圖2 IRSL層、整體結構的模擬結果Fig.2 Simulated results of IRSL and overall structure

2 仿真分析和討論

2.1 等效參數(shù)分析

基于等效媒質理論，運用S參數(shù)反演法提取吸收器的等效參數(shù)。MMA的折射率和特征阻抗可以由以下公式得到

(3)

(4)

其中，d為吸收器的厚度，k=2πf/c為波數(shù)。等效介電常數(shù)和磁導率分別為

(5)

μeff=nZeff。

(6)

從吸收器中提取出來的特征阻抗、等效介電常數(shù)和磁導率如圖3所示。圖3(a)描述了該雷達-紅外兼容隱身結構的特征阻抗在4.58～28.95 GHz頻段，實部接近1，虛部靠近0。這表明吸收器在工作頻段內與自由空間具有良好的阻抗匹配。圖3(b)揭示了等效介電常數(shù)和磁導率實部交替為負值，進一步說明了該MMA具有超材料的單負特性。

2.2 吸波機理分析

為了更好地理解超材料內部的吸收機理，圖4從能量的角度給出了功率分布。圖4(a)描述了在4.58～28.95 GHz的工作帶內仿真輸入的總能量中只有不到5%的能量被散射出去，而絕大多數(shù)能量可以透過IRSL順利進入RAL。圖4(b)表明進入RAL的能量主要集中在ITO超表面上，最終通過歐姆損耗被消耗掉。

圖3 等效參數(shù)Fig.3 Equivalent parameters

圖4 功率分布Fig.4 Power distribution

將PVC基板設置為有損耗和無損耗兩種情況，模擬基板損耗對吸波性能的影響，結果見圖5(a)。在4.58～28.95 GHz的工作頻段內基板無損耗和有損耗的吸收率基本不變，這表明吸收器工作頻帶內的能量損耗主要源于ITO超表面，這與圖4的結論相同。然而，該吸收器在工作頻帶外28.95～35 GHz范圍內基板有損耗的吸收率比無損耗的吸收率更高，這表明了28.95～35 GHz的吸波不僅源于ITO超表面還與基板的損耗密切相關。

為了解釋MMA的內部結構對吸收性能的影響，圖5(b)給出了基于ITO的不同組合模型的吸收譜。Model 1為擬議的雷達-紅外兼容隱身結構，Model 2為RAL，Model 3為僅有FSS2的RAL。通過對比發(fā)現(xiàn)，低頻區(qū)域的微波吸收主要源于FSS2與ITO反射背板的相互作用，高頻段的吸收則由FSS1與其他層的耦合以及自身的歐姆損耗提供。Model 1和Model 2的吸收曲線表明，引入IRSL后，高頻區(qū)域28.95～34.25GHz的吸收急劇下降，這是由頂層ITO貼片在高頻段的低透過率導致。若要改善IRSL的透射性能，可以在保持占空比不變的情況下減小ITO貼片尺寸，從而進一步提高28.95～34.25GHz頻段的吸收率。

圖6描述了6.72 GHz、14.96 GHz和25.12 GHz諧振頻率處ITO膜上的表面電流，深入探討了MMA的吸收機理。如圖6(a)和(b)所示，對于6.72 GHz、14.96 GHz的兩個諧振頻點，表面電流主要集中在FSS2和ITO反射背板上。而且，ITO反射背板上的電流流向與FSS2的反向平行，激發(fā)了磁偶極子諧振，從而引起了諧振點處雷達波的強吸收。此外，F(xiàn)SS2的表面還存在少量與FSS1反向平行的電流，這表明兩個FSS層之間的互耦也有助于諧振點的吸收。在圖6(c)中，電流主要集中在FSS2上，由于相互間的耦合效應，F(xiàn)SS2上既存在與FSS1同向的電流，也存在與接地面反向的電流，在25.12 GHz處激發(fā)了電諧振和磁諧振。相比之下，25.12 GHz處的電流密度不如前兩個頻點處強烈，所以在該頻點處的吸收相對較弱。

圖5 基板和不同模型對吸收的影響Fig.5 Influence of substrate and different models on absorption

圖6 RAL在6.72 GHz、14.96 GHz和25.12 GHz處ITO膜上的表面電流分布Fig.6 Surface current distributions of RAL on ITO films at 6.72 GHz,14.96 GHz and 25.12 GHz

2.3 結構參數(shù)分析

通過控制變量法，獨立研究了RAL上FSS的電阻對吸收性能的影響。R1和R2在不同阻值下的吸收譜如圖7所示。從圖7(a)觀察到，增大R1對低頻區(qū)域的吸收有較大改善，這意味著FSS1對維持低頻高吸收起重要作用。在圖7(b)中，增大R2導致工作頻帶內的吸收率先增加再減小，并且整個吸收譜出現(xiàn)藍移，這表明FSS2是雷達吸波的主要影響因素。綜上所述，擬議MMA的吸收譜對R2較為敏感，造成這種現(xiàn)象的原因是FSS2與其他各層都有較強的耦合，這與表面電流的分析結果一致。然而，從圖7也可以觀察到擬議的MMA在寬頻帶內對ITO阻值具有一定的容忍度，可以簡化實驗樣品的制備。

不同基板介電常數(shù)時的吸收譜如圖8(a)所示，模擬分析了介電常數(shù)為1.5、2.5、3.5、4.5時吸收率的變化曲線。當介電常數(shù)ε從1.5增加到4.5時，高頻區(qū)域的吸收率隨介電常數(shù)的增大而迅速地衰減，低頻段也略有降低且整個頻帶顯示出紅移。圖8(b)模擬了基板的損耗正切對吸波性能的影響。由圖8可知，基板的損耗正切對工作頻帶內4.58～28.95 GHz的吸收基本沒有影響，而在工作頻帶外28.95～35 GHz范圍內吸收率隨損耗正切的增大而增加。當損耗正切從0.025增加到0.325時，高頻吸收得到了明顯改善，尤其在損耗正切tanδ=0.325時，吸收率大于90%。因此，28.95～35 GHz范圍內的吸波不僅得益于ITO超表面，還與PVC基板的損耗密切相關，這與圖5(a)的結論是一致的。

圖7 不同ITO方阻時的吸收譜Fig.7 Absorption spectra under different ITO square resistances

2.4 極化不敏感和廣角特性

進一步分析了不同極化波和入射角下擬議MMA的吸波性能。由于所設計的結構是四軸對稱的，所以該結構具有極化不敏感的特性。圖9給出了TE、TM極化下入射角(θ)在0°至80°范圍內的模擬吸收譜。由圖9(a)可知，對于TE極化波，當θ不超過60°時，4.58至28.95 GHz頻段內的吸收率高于90%。當θ超過60°時，吸收率開始下降，原因是θ的增加導致了電場強度的水平分量降低。因此，由入射電場產生的有效循環(huán)電流逐漸減弱，吸收強度下降。TM極化時不同入射角的吸收譜如圖9(b)所示，當θ不超過65°時，吸收率仍保持在90%以上，但吸收帶出現(xiàn)了藍移。綜上可知，擬議的MMA具有極化不敏感和廣角穩(wěn)定特性，在± 60°的入射角內都能顯示出優(yōu)異的寬帶吸波性能。

圖8 基板電磁參數(shù)對吸收的影響Fig.8 Effect of electromagnetic parameters of substrate on absorption

2.5 低紅外發(fā)射特性

金屬具有高反射和低發(fā)射的特點，可以應用于紅外隱身，但存在表面易被氧化、發(fā)射率不穩(wěn)定等問題。而這里采用的ITO薄膜具有類金屬的低紅外發(fā)射特性，并且性能穩(wěn)定、不易氧化，是紅外隱身的理想材料。IRSL的發(fā)射率εs可通過經驗公式計算為[2,24]：

εs=εmt+εd(1-t)，

(7)

其中，εm為ITO的發(fā)射率，約為0.05。εd為匹配層的發(fā)射率，t是ITO的面積占空比，約為67.24%。假設匹配層的發(fā)射率取最大值εd=1，則IRSL的最大發(fā)射率約為0.361。圖10給出了擬議吸收體的紅外發(fā)射率隨匹配層發(fā)射率εd、ITO貼片占空比t的變化曲線。由此可知，要想獲得更低的紅外發(fā)射率可通過選擇發(fā)射率更低的匹配層或者提高ITO占空比實現(xiàn)。

圖9 不同入射角時的吸收譜Fig.9 Absorption spectra under different incident angles

3 結論

基于柔性透明的ITO膜和PVC基板設計了一款雷達-紅外兼容隱身的超材料吸收器。該吸收器由紅外低發(fā)射層和雷達吸收層組成，在4.58～28.95 GHz頻帶內實現(xiàn)了吸收率大于90%的寬帶吸波，且厚度僅為0.12λL。數(shù)值模擬結果表明，擬議的MMA對極化不敏感，并且在±60°的入射角下都具有優(yōu)異的寬帶吸波性能。此外，由經驗公式計算的紅外發(fā)射率不超過0.361，可通過調節(jié)ITO貼片尺寸或更改匹配層獲得更低的紅外發(fā)射。該設計具有超寬帶雷達吸波、低紅外發(fā)射和易與物體共形等特點，在雷達-紅外兼容隱身應用方面具有廣闊的前景。