柔性透明雷达-红外兼容隐身超材料设计

汪 涛，何贺贺，丁梦迪

(1.合肥工业大学 微电子学院，安徽 合肥 230601；2.中国科学技术大学 信息科学与技术学院，安徽 合肥 230027)

0 引言

近年来，随着隐身与反隐身技术能力的提升，复合探测技术进入了快速发展阶段。常规单一波段的隐身材料已经难以满足现代及未来军事应用的需求，研制雷达、红外、激光等多波段兼容隐身材料成为了隐身技术发展的必然趋势[1-4]。雷达、红外探测是两个主流的检测技术，它们在军事领域上经常被一起使用。因此，开发出雷达-红外兼容的隐身材料具有重要的实际意义。

通常雷达隐身材料表现出低反射和高吸收，而红外隐身材料则表现出高反射和低吸收[5]。根据Kirchhoff定律，同一温度下，发射率等价于吸收率。由此看来，普通材料很难实现雷达波的高吸收、红外波段的低发射，二者是相互矛盾的。一些研究者尝试用氧化锌(ZnO)、氧化镍(NiO)等半导体微粒和基料复合成涂料[6-10]，通过调节掺杂浓度与涂层厚度进而控制雷达波的吸收、红外波的反射。但是，该方法存在制备过程复杂、难以准确地调控掺杂比例和涂层厚度等缺点。也有一些研究指出采用光子晶体能够有效抑制红外发射，实现与雷达波的双重隐身设计[1,11-13]。虽然光子晶体在红外及可见光隐身方面有很大的优势，但是在雷达-红外兼容隐身方面具有很大的局限性。

经过人工设计的超材料因其具有独特的电磁特性如负折射率、负磁导率等，能够实现电磁波的完美吸收[14-16]。相比传统材料，更大的可设计性、自由度以及出色的选频特性使得超材料为实现雷达-红外双重隐身提供了新途径。当前报道了几种基于超材料实现多波段隐身的结构[2-3,17-18]，但都不易与目标共形且不具有光学透明性，应用范围受限。此外，一些研究人员设计并实现了柔性透明的雷达吸波器，但都不能兼容红外隐身[19-22]。

本文提出了一种柔性透明的雷达-红外兼容隐身超材料吸收器(Metamaterial Absorber，MMA)，它能够有效地应对多频谱复合探测。模拟结果表明在横电(TE)和横磁(TM)波极化时入射角分别不超过60°和65°情况下，该MMA在4.58～28.95 GHz的频率范围内显示出吸收率大于90%的宽带吸波，且由计算得到的红外发射率不超过0.361。此外，拟议的结构采用了柔性透明的氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)膜和聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)基板，易与目标物体共形，极大地拓展了应用范围。

1 结构设计

为了实现雷达-红外兼容隐身设计，获取具有低红外发射率的材料格外重要。红外隐身层既要满足目标低发射率的要求，还要实现微波的高效透过，电磁波只有顺利进入雷达吸收层(Radar Absorber Layer,RAL)才能被有效吸收。虽然金属材料的发射率比较低，但受温度影响较大，尤其在表面形成氧化层后，发射率会急剧增加。为了解决该问题，采用柔性透明的ITO膜构造红外低发射层(Infrared Shielding Layer,IRSL)。ITO在红外频段的介电常数满足Drude模型[23]：

(1)

其中，ωp/2π=488.43 THz，γ/2π=29.02 THz，εb=3.95。由式(1)可知红外波段介电常数的实部为负值，发射率较低，具有类金属特性。更可观的是，ITO的氧化性能优于金属材料，并且可通过调节方阻改变发射率[24]。虽然连续的ITO薄膜能实现良好的红外隐身，但当厚度大于趋肤深度时电磁波将被强烈反射。因此，这里采用低通特性的频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)实现了低红外发射和高微波透过，拟议的单元结构模型如图1所示。图1(b)是IRSL的俯视图，它由边长为l1，间隙为m的ITO贴片周期性排列而成。基于驻波理论周期性贴片的谐振频率满足

(2)

式中，εr为匹配层的介电常数，c=3×108m/s为真空中的光速。由式(2)可知ITO贴片越小，对应的谐振频率越大，低频的微波穿透性越好。

拟议的雷达-红外兼容隐身结构由IRSL和RAL组合而成。FSS采用不同方阻的ITO膜进行设计，基板材料选用介电常数为2.56+j0.025的PVC，见图1(a)。IRSL和最底层ITO反射背板的方阻均为6 Ω/sq。图1(c)和(d)为RAL的两个FSS，方阻均为120 Ω/sq。优化后的结构参数如下：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。

图1 单元结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the unit structure

采用商业电磁软件CST Microwave Studio建模仿真，x和y方向的边界条件为unit cell，±z方向设置为Floquet激励端口。图2(a)计算了不同ITO贴片尺寸时IRSL雷达波透射率，可以看出，贴片尺寸越小透射率越大，当ITO贴片边长为0.8 mm时，雷达波透射率大于0.9。因此，IRSL可以被视作一个低通FSS，只允许低于谐振点的微波顺利通过。图2(b)给出了电磁波垂直入射下的仿真结果。由于最底层的ITO反射背板阻碍了电磁波向下传播，所以该结构的透射率几乎为零。吸收率可以计算为A(ω)=1-R(ω)=1-|S11|2，其中R(ω)=|S11|2为反射率。该结构在4.58～28.95 GHz的工作带宽内实现了吸收率大于90%的宽带吸波，相对带宽为145.36%，厚度仅为0.12λL(λL为工作频段最大波长)。

图2 IRSL层、整体结构的模拟结果Fig.2 Simulated results of IRSL and overall structure

2 仿真分析和讨论

2.1 等效参数分析

基于等效媒质理论，运用S参数反演法提取吸收器的等效参数。MMA的折射率和特征阻抗可以由以下公式得到

(3)

(4)

其中，d为吸收器的厚度，k=2πf/c为波数。等效介电常数和磁导率分别为

(5)

μeff=nZeff。

(6)

从吸收器中提取出来的特征阻抗、等效介电常数和磁导率如图3所示。图3(a)描述了该雷达-红外兼容隐身结构的特征阻抗在4.58～28.95 GHz频段，实部接近1，虚部靠近0。这表明吸收器在工作频段内与自由空间具有良好的阻抗匹配。图3(b)揭示了等效介电常数和磁导率实部交替为负值，进一步说明了该MMA具有超材料的单负特性。

2.2 吸波机理分析

为了更好地理解超材料内部的吸收机理，图4从能量的角度给出了功率分布。图4(a)描述了在4.58～28.95 GHz的工作带内仿真输入的总能量中只有不到5%的能量被散射出去，而绝大多数能量可以透过IRSL顺利进入RAL。图4(b)表明进入RAL的能量主要集中在ITO超表面上，最终通过欧姆损耗被消耗掉。

图3 等效参数Fig.3 Equivalent parameters

图4 功率分布Fig.4 Power distribution

将PVC基板设置为有损耗和无损耗两种情况，模拟基板损耗对吸波性能的影响，结果见图5(a)。在4.58～28.95 GHz的工作频段内基板无损耗和有损耗的吸收率基本不变，这表明吸收器工作频带内的能量损耗主要源于ITO超表面，这与图4的结论相同。然而，该吸收器在工作频带外28.95～35 GHz范围内基板有损耗的吸收率比无损耗的吸收率更高，这表明了28.95～35 GHz的吸波不仅源于ITO超表面还与基板的损耗密切相关。

为了解释MMA的内部结构对吸收性能的影响，图5(b)给出了基于ITO的不同组合模型的吸收谱。Model 1为拟议的雷达-红外兼容隐身结构，Model 2为RAL，Model 3为仅有FSS2的RAL。通过对比发现，低频区域的微波吸收主要源于FSS2与ITO反射背板的相互作用，高频段的吸收则由FSS1与其他层的耦合以及自身的欧姆损耗提供。Model 1和Model 2的吸收曲线表明，引入IRSL后，高频区域28.95～34.25GHz的吸收急剧下降，这是由顶层ITO贴片在高频段的低透过率导致。若要改善IRSL的透射性能，可以在保持占空比不变的情况下减小ITO贴片尺寸，从而进一步提高28.95～34.25GHz频段的吸收率。

图6描述了6.72 GHz、14.96 GHz和25.12 GHz谐振频率处ITO膜上的表面电流，深入探讨了MMA的吸收机理。如图6(a)和(b)所示，对于6.72 GHz、14.96 GHz的两个谐振频点，表面电流主要集中在FSS2和ITO反射背板上。而且，ITO反射背板上的电流流向与FSS2的反向平行，激发了磁偶极子谐振，从而引起了谐振点处雷达波的强吸收。此外，FSS2的表面还存在少量与FSS1反向平行的电流，这表明两个FSS层之间的互耦也有助于谐振点的吸收。在图6(c)中，电流主要集中在FSS2上，由于相互间的耦合效应，FSS2上既存在与FSS1同向的电流，也存在与接地面反向的电流，在25.12 GHz处激发了电谐振和磁谐振。相比之下，25.12 GHz处的电流密度不如前两个频点处强烈，所以在该频点处的吸收相对较弱。

图5 基板和不同模型对吸收的影响Fig.5 Influence of substrate and different models on absorption

图6 RAL在6.72 GHz、14.96 GHz和25.12 GHz处ITO膜上的表面电流分布Fig.6 Surface current distributions of RAL on ITO films at 6.72 GHz,14.96 GHz and 25.12 GHz

2.3 结构参数分析

通过控制变量法，独立研究了RAL上FSS的电阻对吸收性能的影响。R1和R2在不同阻值下的吸收谱如图7所示。从图7(a)观察到，增大R1对低频区域的吸收有较大改善，这意味着FSS1对维持低频高吸收起重要作用。在图7(b)中，增大R2导致工作频带内的吸收率先增加再减小，并且整个吸收谱出现蓝移，这表明FSS2是雷达吸波的主要影响因素。综上所述，拟议MMA的吸收谱对R2较为敏感，造成这种现象的原因是FSS2与其他各层都有较强的耦合，这与表面电流的分析结果一致。然而，从图7也可以观察到拟议的MMA在宽频带内对ITO阻值具有一定的容忍度，可以简化实验样品的制备。

不同基板介电常数时的吸收谱如图8(a)所示，模拟分析了介电常数为1.5、2.5、3.5、4.5时吸收率的变化曲线。当介电常数ε从1.5增加到4.5时，高频区域的吸收率随介电常数的增大而迅速地衰减，低频段也略有降低且整个频带显示出红移。图8(b)模拟了基板的损耗正切对吸波性能的影响。由图8可知，基板的损耗正切对工作频带内4.58～28.95 GHz的吸收基本没有影响，而在工作频带外28.95～35 GHz范围内吸收率随损耗正切的增大而增加。当损耗正切从0.025增加到0.325时，高频吸收得到了明显改善，尤其在损耗正切tanδ=0.325时，吸收率大于90%。因此，28.95～35 GHz范围内的吸波不仅得益于ITO超表面，还与PVC基板的损耗密切相关，这与图5(a)的结论是一致的。

图7 不同ITO方阻时的吸收谱Fig.7 Absorption spectra under different ITO square resistances

2.4 极化不敏感和广角特性

进一步分析了不同极化波和入射角下拟议MMA的吸波性能。由于所设计的结构是四轴对称的，所以该结构具有极化不敏感的特性。图9给出了TE、TM极化下入射角(θ)在0°至80°范围内的模拟吸收谱。由图9(a)可知，对于TE极化波，当θ不超过60°时，4.58至28.95 GHz频段内的吸收率高于90%。当θ超过60°时，吸收率开始下降，原因是θ的增加导致了电场强度的水平分量降低。因此，由入射电场产生的有效循环电流逐渐减弱，吸收强度下降。TM极化时不同入射角的吸收谱如图9(b)所示，当θ不超过65°时，吸收率仍保持在90%以上，但吸收带出现了蓝移。综上可知，拟议的MMA具有极化不敏感和广角稳定特性，在± 60°的入射角内都能显示出优异的宽带吸波性能。

图8 基板电磁参数对吸收的影响Fig.8 Effect of electromagnetic parameters of substrate on absorption

2.5 低红外发射特性

金属具有高反射和低发射的特点，可以应用于红外隐身，但存在表面易被氧化、发射率不稳定等问题。而这里采用的ITO薄膜具有类金属的低红外发射特性，并且性能稳定、不易氧化，是红外隐身的理想材料。IRSL的发射率εs可通过经验公式计算为[2,24]：

εs=εmt+εd(1-t)，

(7)

其中，εm为ITO的发射率，约为0.05。εd为匹配层的发射率，t是ITO的面积占空比，约为67.24%。假设匹配层的发射率取最大值εd=1，则IRSL的最大发射率约为0.361。图10给出了拟议吸收体的红外发射率随匹配层发射率εd、ITO贴片占空比t的变化曲线。由此可知，要想获得更低的红外发射率可通过选择发射率更低的匹配层或者提高ITO占空比实现。

图9 不同入射角时的吸收谱Fig.9 Absorption spectra under different incident angles

3 结论

基于柔性透明的ITO膜和PVC基板设计了一款雷达-红外兼容隐身的超材料吸收器。该吸收器由红外低发射层和雷达吸收层组成，在4.58～28.95 GHz频带内实现了吸收率大于90%的宽带吸波，且厚度仅为0.12λL。数值模拟结果表明，拟议的MMA对极化不敏感，并且在±60°的入射角下都具有优异的宽带吸波性能。此外，由经验公式计算的红外发射率不超过0.361，可通过调节ITO贴片尺寸或更改匹配层获得更低的红外发射。该设计具有超宽带雷达吸波、低红外发射和易与物体共形等特点，在雷达-红外兼容隐身应用方面具有广阔的前景。