基于超材料的宽带雷达/红外兼容隐身结构

MEMS 2022-09-24 00:00

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据麦姆斯咨询报道，近期，一支由中国矿业大学、中国空间技术研究院、哈尔滨工业大学的研究人员组成的团队设计并研制出一种基于超材料的宽带微波/红外兼容隐身结构器件，该结构包括基于氧化铟锡（ITO）薄膜制备出的红外隐身层（IRSL）、微波吸收层（MAL）和微波反射层（MRL），能够在2∼18.6GHz范围内实现90%以上的吸收，其红外发射率低于0.3。相关研究成果以“一种基于超材料的轻质宽带雷达/红外兼容隐身结构”为题发表在《红外与毫米波》期刊上。

随着可见、红外、雷达及激光制导技术的迅猛发展，军事装备在战场上将面临多波段侦查的威胁，与之对应的多波段兼容隐身技术能提升武器装备战场生存能力。在各类探测手段中，雷达（微波）与红外探测占据90%，因此微波与红外兼容隐身技术成为多波段兼容隐身的主要研究方向之一。一种常见实现方式是在微波吸收剂外层包覆红外高反射率的微金属颗粒，以实现雷达与红外隐身的兼容。但红外高反射率的金属材料在微波频段也具一定反射，因此在一定程度上牺牲了微波吸收性能。如何解决红外隐身和雷达隐身对电磁波反射特性相互矛盾的难题，是实现雷达/红外隐身技术的关键。

超材料在操纵电磁方面具有可设计性和灵活性，越来越受到研究者的关注。超材料的特性主要取决于周期或非周期排列的结构单元，通过改变结构参数，操纵其有效介电常数和磁导率，实现超材料对电磁波的调控。

基于此，本文设计了一种基于ITO导电薄膜的雷达/红外兼容隐身轻质超材料结构。图1为雷达/红外兼容隐身超材料结构示意图，器件从上到下依次为IRSL、MAL和MRL。各功能层由衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，0.175mm）的透明导电ITO薄膜构成。各功能层之间为不同厚度（d1、d2、d3）的PMI泡沫。MAL由两个周期尺寸和方阻不同的两种结构层组成。MAL1和MAL2分别吸收低频段和高频段微波，二者结合实现对微波的宽频吸收。MRL由ITO连续膜组成，将透过的微波反射至微波吸收层进而实现多次谐振吸收。

图1 雷达/红外兼容隐身超材料结构示意图

图2 雷达/红外兼容隐身超材料结构的各功能层结构图：（a）微波吸收层1和微波吸收层2的单元结构图；（b）红外隐身层的单元结构图。

本文仿真了雷达/红外兼容隐身超材料结构在正入射情况下的吸波性能，电场偏振方向沿y轴，结果如图3所示。仿真结果表明该结构在2∼18.6GHz宽带范围实现了超过90%的吸收率（黑色曲线）。

图3 雷达/红外兼容隐身超材料的模拟吸波性能

利用激光刻蚀制备出红外隐身层和微波吸收层，再将厚度不同的PMI泡沫插入各结构层间，最后得到与设计一致的超材料吸波结构。该结构设计尺寸为300mm×300mm×17.2mm，实际得到的样品厚度为17.5mm，如图4中插图为样品实物照片，由于ITO/PET薄膜可见透光率良好，样品基本呈现PMI泡沫的颜色。用弓形法测试样件在2∼4GHz，4∼8GHz，8∼18GHz的吸波性能，测试结果如图4所示。与仿真结果基本一致，制备的吸波结构在2.7∼18GHz频段的吸收率高于90%。

图4 雷达/红外兼容隐身超材料结构在正入射时的仿真与实验吸波曲线，插图为样品的照片

最后，通过热红外相机（PI640，Optris Inc.）测量超材料吸波结构的发射率。如图5所示，将红外隐身层和大小相同的对照组样件（方阻相同的ITO连续膜，PET薄膜）放在70°C的加热板上。红外隐身层表面的红外温度为39°C，红外发射率（ε）为0.27；对照组ITO连续膜和PET薄膜的红外温度分别为31°C（ε=0.15）和68°C（ε=0.95）。

图5 雷达/红外兼容隐身超材料结构在70°C温度下的红外热像图

综上，本文成功设计并制备了一种能够实现雷达/红外兼容隐身的超材料结构，并对其各项性能进行了实验验证。实验结果表明本结构在2.7∼18GHz微波吸收率大于90%，在8∼14μm红外波段的发射率低于0.3。本结构具有良好的极化稳定性，当电磁波斜入射角小于60°时也能保持良好的宽带吸波效能。该结构质量较轻，密度仅为35kg/m³，便于贴附在装备表面使用。本研究成果在武器装备多谱段隐身领域、微波屏蔽领域具有重要应用价值。

延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》
《超材料和超表面技术及市场-2021版》