电磁缺陷修复材料研究进展
陈海燕，谢建良，周佩珩，陆海鹏，邓龙江*
周祎
(电子科技大学，国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心，四川 成都 610054)
摘 要: 研究了电磁缺陷修复材料在飞行器边缘、缝隙等表面电磁缺陷散射控制中的应用，阐述了其原理和发展状况。给出了表面电磁缺陷的基本定义，分析了其散射特点，并提出电磁缺陷修复原理及基本方法。电磁缺陷修复材料主要包括用于表面波抑制的磁性材料、用于窄缝隙保证电连续的导电材料和用于边缘散射控制的渐变阻抗材料等三类，本文重点介绍了用于边缘散射控制的渐变阻抗材料。该渐变阻抗材料基于图形渐变频率选择表面的概念，加载于边缘考虑平行极化和垂直极化两种情况，并与边缘锯齿化和未加载情况进行比较。从研究情况来看，经过恰当的材料选取和合理的阻抗梯度设计，渐变阻抗材料可以有效控制边缘散射，并能取得宽带效果。最后展望了渐变阻抗材料在电磁散射及电磁辐射领域的应用前景。
关键词惊叹的近义词: 电磁缺陷；渐变阻抗材料；边缘散射；电磁缺陷修复材料
中图分类号：TN34 文献标识码： A 文章编号：1674—3962 (2013)01-
Rearch Development of Electromagnetic Discontinuities Repairing Materials
Hai-Yan Chen, Jian-Liang Xie, Pei-Heng Zhou, and Hai-Peng Lu, Long-Jiang Deng*.
(University of Electronic Science and Technology of China,
National Engineering Rearch Center of Electromagnetic Radiation Control Materials, Chengdu, 610054, China)
Abstract: The theory, application and development of electromagnetic discontinuities repairing materials in scattering controlling of electromagnetic discontinuities such as edge, gaps and grooves, and steps, are described in this paper. The definition and characteristic of surface electromagnetic discontinuities are analyzed, and the theory and methods for repairing electromagnetic discontinuities are also propod. Electromagnetic discontinuities repairing materials including magnetic materials for suppression of surface wave, conductive materials for repairing the narrow gaps or grooves, and the tapered impedance mat
erials for controlling edge scattering are discusd respectively, and one of which, the tapered impedance materials are illustrated particularly. The tapered resistive materials realized by geometric variation bad on frequency-lective surfaces concepts is demonstrated having good suppression of edge scattering from a triangular metallic plate. Electromagnetic back-scattering of the as-prepared target from a triangular plate with edge tapered resistive sheet loading is propod for both horizontal polarization and vertical polarization, and compared with that from the one of the same shape but loaded with rrated shaping or none resistive sheet on the edge. The results show that the tapered impedance materials can regulate effect edge scattering by choosing the appropriate materials and devising the reasonable gradient characteristic of the impedance. Some viewpoints of the tapered impedance material’s future application in electromagnetic scattering and electromagnetic radiation domains are propod.
Keywords: Electromagnetic discontinuities, Tapered impedance material, Edge scattering, Electromagnetic discontinuities repairing materials
1引言
隐身能力是新一代作战飞行器最重要的技术特征之一[1]。雷达系统是军事系统领域迄今为止最为有效的目标探测工具，它根据目标对雷达波的散射特性判定目标的性质。雷达隐身技术成为最重要的一类技术，得到了世界各国的广泛关注，并取得了飞速发展。目前隐身技术主要手段包括：外形隐身，雷达吸波材料RAM（Radar absorbing materials）的应用，有源对消和无源对消[2]。随着雷达隐身技术的发展，飞行器雷达舱、座舱、进气道等强散射源得到了有效控制[3]，这时，飞行器表面结构大量存在的缝隙、台阶、以及不可避免的边缘等弱散射源的隐身问题凸显，占总体散射的比重大大增加。这些弱散射源如不加以控制，极大限制了极低RCS（Radar cross ction）装备的研制。
2基本定义
2.1 电磁缺陷
电磁缺陷被定义为在几何上或电特性上的任何突变[4]拥抱的英文，主要包括边缘、缝隙、材料突变等，典型的电磁缺陷如图1所示。目前飞行器等隐身目标的设计中，已经对目标进行了优化的结构隐身，有效抑制了镜面、角体等强散射源散射，而边缘、缝隙、材料突变等表面电磁缺陷这样的次散射源占总体散射的比重大大增加，且在某些极化和威胁角下的影响是非常明显的。而且表面电磁缺陷往往是隐身装备不可避免的，比如隐形战机F22存在大量的表面电磁缺陷[5]，如图2所示。因此，对边缘、缝隙、材料突变等表面电磁缺陷的散射机理及其后向RCS减缩是进一步提高目标隐身特性的重要研究方向。
图1 典型电磁缺陷结构（其中表示入射波，表示散射波）
Fig1. Typical structures of electromagnetic discontinuities
(where is the incidence wave, and is the scattering wave.).
图2 F22战机表面电磁缺陷
Fig. 2 Surface electromagnetic discontinuities of aircraft F22.
散射源的散射特性与频率关系密切，G. T. Ruck编著的《Radar cross ction handbook》给出了各种散射源的散射特性与波长（频率）之间的关系[6]，如表1所示。来自镜面的强散射源，其雷达散射截面随着频率增加而增加，但电磁缺陷的雷达散射截面却随着频率的
减小而增大的，比如尖端、多绕射边缘、二阶或高阶表面不连续缺陷、爬行波等的雷达散射截面与自由空间波长的平方甚至高次幂成正比，即与电磁波频率的平方甚至高次幂成反比。因此，电磁缺陷的低频段电磁散射贡献远高于高频段。
表1 散射源散射特性与波长关系
白黑论坛Table 1 Relationships between the scattering characteristics of electromagnetic scattering sources and wavelength
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2.2 电磁缺陷修复基本方法及原理
本文探讨的电磁缺陷修复基本方法及原理仅限于雷达隐身材料的应用，而外形设计、有源或无源对消技术不予考虑。
针对边缘、尖端等表面电磁缺陷，其控制策略主要包括：用磁性类或介电类吸波涂层减小表面电流从而减小行波和爬行波回波；采用阻抗渐变结构（可以扩展至体边缘）以衰减边缘绕射回波和控制来自表面镜面回波的旁瓣[7]强化工作措施。
针对缝隙类表面电磁缺陷，其散射特性具有极化敏感性，电场极化方向与缝隙长边正交投影（只考虑窄缝隙情况），决定了其散射特性。控制二维窄槽电磁散射，运用RAM技术受到较大局限，二维窄槽的形状及其分布对其RCS影响很大，采用导电性好的材料填充以保证其电连续是有效控制其散射的最佳方法[8]。
3电磁缺陷修复材料
3.1简笔画坦克磁性材料
表面波是边缘、缝隙等表面电磁缺陷重要的散射机制，表面波传输至边缘、缝隙、几何突
变等表面电磁缺陷，会产生强的回波贡献于后向散射，根据电磁波传输互易性，平面波入射到表面电磁缺陷将产生表面波。磁性材料作为表面电磁缺陷修复材料中重要的一类材料，主要目的在于将表面波到达表面电磁缺陷之前尽可能衰减吸收。
Collin[9]发现感性阻抗表面只能传输磁场平行于表面的这种极化的束缚波。金属表面其感抗和电阻相等，其表面电阻很低，则表面行波衰减是可以忽略，在遇到边缘等表面电磁缺陷会对RCS产生贡献。Stratton[10]所研究的表面涂覆要求该涂层能支持该行波传输，然后提供显著的衰减。针对表面波在高损耗材料中的传输问题，Ufimtv[11-13]团队开展了系列工作，对表面波衰减、群速、相速、表面阻抗等基本特性详细分析。
图介绍信格式3 0.5mm厚两种材料表面波衰减特性
Fig. 3 Surface waves attenuation properties of two typical materials with the same thickness of 0.5mm
虚拟两种材料，二者折射率相等，介电常数与磁导率满足对偶性，考察厚度为0.5mm时表面波衰减特性，如图3所示。从图中可以看出，隐身材料表面波衰减系数包括磁损耗机制和电损耗机制，其中磁损耗机制占主导地位。磁性材料或者包括磁损耗的复合材料是薄层应用中表面波吸波材料的最佳选择。
本课题组在磁性材料的研究方面做了大量工作[14-18]，特别在微波吸收特性方面的研究取得了较大进展，推动了磁性材料在微波领域的发展。
3.2导电材料
考虑一个二维窄缝隙模型[19]，采用填充材料的方法以减缩其RCS，填充材料的表面阻抗特性与其散射特性密切相关，图4给出了宽度为2mm，深度为1.5mm的缝隙填充材料表面方阻与其散射特性的关系图。
从图中看出，填充材料表面阻抗越小，被加载缝隙后向散射贡献越小。而且，当表面阻抗大于3Ω/♢，对缝隙散射减缩基本不起作用。
