毫米波反射率标准样板研究

2011-01-22军英

化学分析计量 2011年4期

军英

(中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031)

毫米波探测具有波束窄、定位精确的特点，在毫米波探测技术发展的同时，对毫米波吸收技术提出了越来越高的要求。反射率是评价毫米波吸收材料性能的主要参数，测试系统由信号源、收发天线、信号接收机和信号分析处理仪器等组成[1]。目前，国内许多单位建立了反射率测试系统，为了保证测试准确性，不仅需要对各微波设备和器件进行校准，而且还需要进行系统校准。为了满足对毫米波涂料反射率测量系统进行整体校准和评价的需要，笔者研制了毫米波吸收反射率标准样板，其适用频率为8 mm波段(26.5～40 GHz)，反射率标称值分别为-5 、-10 、-15 dB。该毫米波吸收反射率标准样板已经用于专用测量设备的校准。

1 标准样板制备

1.1 标准样板配方和结构设计

参考国内外资料、吸收材料研制经验及相关标准进行反射率标准样板的结构设计。以金属良导体为基板，运用阻抗匹配原理进行设计计算。结果表明，在仅采用单层吸波材料的情况下，由于介电常数很高，造成阻抗与自由空间相差很大，匹配性差,大部分电磁波在界面发生反射，无法进入材料内部。为解决这一问题，笔者设计了一层低参数的阻抗匹配层材料，降低了单层吸波材料与自由空间的阻抗差异，从而降低了表面反射。经测试具有阻抗匹配层的双层材料具有较高的吸波性能，而且吸波曲线比较平缓，而仅有吸波涂层的单层材料吸波性能比较低，或虽然吸波性能高但吸收频带比较窄。阻抗匹配层的特征阻抗介于吸波涂层和自由空间之间，可以降低界面反射，促使电磁波进入材料内部并被吸收。综合考虑标准样板的吸波性能、稳定性和可加工性能的要求，采用高效磁损型和电损型复合吸收剂与增韧环氧树脂为基体材料设计吸波涂层的配方，以增强涂层对电磁波的吸收损耗；采用低电磁参数的无机材料为填充剂，以增韧环氧树脂为基体设计匹配涂层配方，以减弱因阻抗不匹配所造成的反射，从而使电磁波能够充分进入到吸波涂层而被吸收。

所确定的双层结构和配方虽然能够达到较高的吸波性能，并且吸收曲线比较平缓，但要满足指标规定的各频率不同的吸波性能量还需对双层结构的参数进行优化设计。为此研究了双层结构不同参数组合情况下吸波性能变化规律，吸波涂层厚度在0.2～1.0 mm，匹配涂层厚度在0.3～1.2 mm范围内共进行了近百种参数组合设计，图1和图2是所设计的不同参数组合情况下反射率变化规律示例。经过大量的结构参数设计和试验验证，得到了各个反射率梯度标准样板的结构参数。

吸收层：0.4 mm； 1～7匹配层依次为0.4、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2 mm图1 吸收层固定匹配层变化的样板反射率曲线

吸收层：0.6 mm； 1～8匹配层依次为0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.1、1.2 mm图2 吸收层固定匹配层变化的样板反射率曲线

1.2 标准样板制备工艺

制备工艺不仅要使标准样板达到所设计的结构参数要求，而且要满足标准样板的稳定性及特征量值定值准确性要求，主要包括基板的选择、加工与表面处理、吸波涂层和匹配涂层的制作。

(1)基板的处理

标准样板应以良导体金属平面作为基板。通过对铜、纯铝、铝合金、不锈钢等材料的理化性能指标进行综合对比分析，确定采用纯铝板作为标准样板基板。由于要在基板上制备一定厚度的吸收材料涂层，涂料加热固化过程中可能引起样板变形，因此研究了不同厚度纯铝板上制备相同厚度吸收材料涂层加热固化后的变形情况。经对比试验确定采用厚度为5 mm的铝板作为标准样板基板，经精密机械加工，达到较高的平行度、平面度等级之后，进行喷砂处理，以提高涂层附着力，增强标准样板的稳定性。

(2)功能涂层的制备

采用加压式喷涂工艺进行吸波涂层和匹配涂层的制备。合理调节涂料黏度，以利于高密度涂料的均匀雾化和喷涂，通过试验确定喷涂工艺参数。对完全固化的涂层进行精密磨削加工，使其达到设计结构参数的要求。进行防护处理，以避免空气、潮气对界面氧化、侵蚀。

2 标准样板均匀性

由于是对每块标准样板分别定值，因此不需要抽样进行均匀性检验。在对标准样板进行定值测试和使用时，所表现的是整块样板功能表面的特性，因此也不存在每块标准样板上不同区域之间性能是否均匀的问题。

3 标准样板的稳定性检验

标准样板的稳定性是指在规定的时间间隔内使其特性量值保持在规定范围内的能力，通常是通过长时间连续观察其特性量值变化规律来确定[2]。为了评价标准样板的稳定性，笔者选择了多件有代表性的标准样板(分别携带-5、-10、-15 dB吸波性能值)，对其反射率随时间的变化情况进行考核。一年内每隔2个月进行一次测试，每次至少测量3个观测值，取其平均值作为该次测试值，采用平均值一致性检验法评定标准样板的稳定性。

对标准样板候选物一年内6个周期的稳定性检验结果进行t检验。表1列出了某块标准样板候选物6个不同时间的反射率数据统计结果，由表1可知，t计算值均小于t0.05(5)，因此研制的标准样板性能稳定。

表1 某标准样板稳定性检验数据统计结果

注：当α=0.05,n=6时，t0.05(5)=2.57。

4 标准样板的定值

定值测试按GJB 2038-1994[3]中的雷达吸波材料(RAM)反射率远场RCS测试方法进行。采用尽量相同的试验条件(包括温度、湿度、发射功率、背景电平、极化状态等)进行测量，根据GB/T 8170-1987[4]的规定对定值数据进行修约，并按JJF 1006-1994[5]的规定进行数据的统计处理，确定出标准样板的标准值。

标准样板的不确定度主要包括测试系统的不确定度和标准样板的各类试验不确定度。其中测试系统不确定度按B类方法评定，包括：发射功率、背景电平、频率、等的波动对系统测试结果的影响。标准样板的各类试验不确定度按A类评定，包括(1)同一条件下多次重复测试的不确定度u1；(2)均匀度不确定度分量u2；(3)时间稳定性不确定度分量u3；(4)温度稳定性不确定度分量u4；(5)湿度稳定性不确定度分量u5。

将各类不确定度分量进行合成，并取95%置信度，得到合成扩展不确定度[6]。

某标准样板的标准值、各不确定度分量及合成不确定度计算结果列于表2。