隐身材料微波隐身特性评估方法

段长生，刘玉波，刘云松，郝欣甜，张雨，张军英，姜维维，林帅，荀其宁

（1.国防科技工业 2311 二级计量站，哈尔滨 150046 ； 2.内蒙航天动力机械测试所，呼和浩特 010076 ；3.中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

隐身材料微波隐身特性评估方法

段长生1，刘玉波1，刘云松2，郝欣甜2，张雨3，张军英3，姜维维3，林帅3，荀其宁3

（1.国防科技工业 2311 二级计量站，哈尔滨 150046 ； 2.内蒙航天动力机械测试所，呼和浩特 010076 ；3.中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

列举了隐身材料微波电磁参数、反射率、目标雷达散射截面（RCS）的测试方法和相关标准，重点介绍了探头法、谐振腔法、传输反射法、自由空间等电磁参数测量方法及弓形法、远场法等反射率测试方法的基本原理和测试装置，分析了各种方法的特点和适用范围。

隐身材料；微波；测试方法

武器装备隐身化可以显著提高军事效益，世界军事强国均把隐身技术列为武器装备发展的重要方向。随着光电探测技术的发展，各国对武器装备的隐身技术提出了越来越高的要求。隐身性能的获取是通过外形或结构隐身设计，釆用隐身材料等措施降低其雷达、红外等信号特征，从而获得隐身效果。隐身材料技术是隐身技术的关键之一。在吸波材料研究应用中，有“薄轻宽强”的要求，即薄层、轻质、宽带、强吸收。为了寻找设计隐身性能好的材料和拓宽材料的应用范围，或者对材料本身进行评估，都离不开对材料隐身性能的测试［1］。

笔者从微波电磁参数、反射率和雷达散射截面等方面综述隐身材料测试方法。

1 隐身材料电磁参数的测试

电磁波在材料中的传播特性由材料的电磁参数所决定。隐身材料设计研制过程中，必须准确测试材料、吸收剂和填充物的电磁参数，以便对隐身材料的配方组成和结构参数进行设计。电磁参数指复介电常数 ε和复磁导率 μ，以复数形式表示：

式中：

ε0——自由空间介电常数，ε0=8.854×10-12F／m；

εr——材料的相对复介电常数；

μ0——自由空间的磁导率，μ0=4π×10-7H／m ；

μr——材料的相对复磁导率。

εr和μr是描述材料与电磁场相互作用的两个基本特征参数，其中复介电常数反映了材料对于电场能量的存储与损耗，复磁导率反映了材料磁场能量的存储与损耗，实部与虚部的量值则分别反映储能与损耗的大小。

许多微波测量方法能同时确定材料的微波复介电常数和复磁导率，这些方法包括传输反射法、探头法、谐振腔法、自由空间法［1-3］及使用多个终端的单端口传输线法［4］等，如图1所示。

1.1 探头法

探头法是一种非破坏性测量方法，它可用于层状材料、液态物质或无定形固态物质的复介电常数和复磁导率的测量［5］。探头法主要有终端开路同轴探头法和终端开路矩形波导探头法两种，前者的测量频带很宽，后者的频带相对较窄。探头法还可分为有法兰和无法兰两种，早期的探头都是无法兰探头，存在电磁波的辐射损耗，准确性较差，而有法兰探头的精度相对较高。

图1 材料电磁参数测试方法分类

同轴探头加载涂层材料的结构如图2所示。图3则概括了同轴探头同时测量材料 εr与 µr参数的全过程。通过同轴探头和反射计测得材料的反射系数 Γm，利用电磁理论和计算电磁学建模从理论上计算出材料的反射系数，以 Γm为标准值，令优化迭代可以提取出 εr值；如果需要同时提取 εr和 µr值，则还需适当改变条件，再建立一个方程’，联立求解得到 εr和 µr。厚度 d 和频率 f都是反射系数的独立变量，因此得到新方程的方法包括变厚度法和变频率法。前者通过测量两块厚度不同的同种材料，得到 2个反射系数，建立方程，反演得到 εr和 µr；后者通过改变工作频率 (扫频 )来建立电磁参数所需的多个反射系数方程。变频率法只需 1块样品和1次扫频测量反射，既减少了误差来源，又简化了测量手续，非常适用于现场快速测量［6］。

图2 同轴探头测量加短路板单层介质模型

图3 同轴探头测量电磁参数原理框图

1.2 谐振腔法

谐振腔法是由 Cook［7］于 20 世纪 70 年代初提出的。该法是将样品放入谐振腔中，根据放入前后其谐振频率和Q值的变化来确定样品复介电常数和复磁导率的一种微波测量方法。该方法通常是将样品置于谐振腔中电场最大、磁场最小处测量样品的复介电常数，将样品置于谐振腔中电场最小、磁场最大处测量复磁导率［8］。谐振腔法的局限性在于一般只能用于点频或窄频测量，且操作和分析均比较复杂，对于高损耗材料需要非常小的样品尺寸，固体材料必须经过精确的加工以置入谐振腔。谐振腔法的优点在于测量精度很高，尤其适合于测量低损耗材料的复介电常数和复磁导率。

1.3 自由空间法

自由空间法主要釆用矢量网络分析仪和收发天线等测试设备，构成开放空间测试系统，通过测量矢量反射系数和传输系数，或者测量不同入射角、不同极化方式下的矢量传输系数来确定样品的微波复介电常数和复磁导率［9］。近年来，随着矢量网络分析仪的迅速发展，其测试精度、噪声门限电平、动态范围及自动化程度有了很大提高［10］，微波领域自由空间测试法因准确度提高而受到广泛的关注［11］。

自由空间测试法拟构建测试系统原理框图如图4所示。将该测试系统置于测试平台上，计算机是整个测试系统的控制中心，控制着网络分析仪的自动测试和电磁参数的计算，同时还控制测试转台的转动。网络分析仪的两个测试端分别连有功率放大器。输出端加功率放大器的目的是放大信号，输入端加低噪声放大器是为了改善接收信号的信噪比。当测试环境良好、测试设备和测试技术较先进时可以省去低噪声放大器。

图4 自由空间测试系统原理框图

自由空间法可广泛用于非破坏性、非接触性材料，尤其适用于特殊环境 (如高温 )测量和非均匀材料 (如蜂窝结构吸波板 )测量。它的优势在于测量频率高、频带宽，缺点是所需样品的尺寸较大，尤其在低频测量时。另外该法要求样品的表面必须平坦并且双面平行，该方法的准确性相对较差。

在 众多的测量 方法中，传输／反射法 (Transmission／Re fl ection Method) 最简单且具有较高精度［12］。其测试原理：利用网络分析仪直接测量材料的散射参量，然后通过散射方程反演出材料的电磁参量。复介电常数和复磁导率与复反射和复透射系数有着单值关系。

当把线性、均匀的待测材料样品置于同轴线或矩形波导中时，其可等效为传输线及互易、对称二端口网络。

这种方法实际上是一种双端口传输线法，它将均匀、线性、各向同性材料的被测样品填充在标准传输线 (同轴线、波导等 )内，构成一个互易双端口网络，通过测量含样品传输线段的传输系数和反射系数来确定样品的电磁参数。传输／反射法具有操作简单、测量速度快、测量频带宽、无辐射损耗及测量精度较高等优点，是目前各种材料微波电磁参数测量方法中研究的最多的一种。目前国内外吸波材料微波电磁参数的测量大多釆用这种方法。

传输／反射法按照样品夹具或测量座的不同又可分为矩形波导型、带线型、微带线型及同轴型等 4 种类型［13］。

各种方法的特点及适用范围见表1。测试夹具的示意图见图5。

表1 测试电磁参数的不同方法

图5 电磁参数测试夹具

2 微波反射率的测试

反射率是表征隐身材料性能最直接的参数，目前普遍釆用弓形法（也叫功率对比法）和雷达散射截面（RCS）法对隐身材料反射率进行测量［14］。弓形测试法通过测试金属良导体平面及以同尺寸金属平面为衬底的雷达吸波材料的回波功率而得到反射率，该方法对测试仪器、测试距离、测试电磁环境、样板定位精度等要求相对较低，测试数据的准确度相对较低，且缺乏对测试数据的误差分析，主要用于一般实验室材料配方筛选和隐身性能的快速评价，其系统组成见图6。RCS 测试法则是釆用具有理论计算的 RCS 值的标准金属球体对测试系统进行标定，再准确测得金属良导体平面及以同尺寸金属平面为衬底的雷达吸波材料的 RCS，计算得到隐身材料的反射率。该方法对样板尺寸、定位精度、测试距离、背景电平、测试仪器等均有较严格的要求，测试过程相对比较复杂，但测试准确度高，用于材料性能的定值、鉴定测试［15］。RCS 测试法系统组成见图7，这种测试系统最主要的用途是目标RCS测试。

图6 弓形法测试系统示意图

3 目标RCS 测试

RCS 是描述目标电磁散射特性的重要特征量之一，电磁隐身技术的本质就是缩减目标的 RCS［16］。RCS 的测量是用由微波信号源、矢量网络分析仪、紧缩场天线、微波暗室（室内测试）或无限自由空间（外场测试）等组成的系统进行的。测试系统组成示意图见图7。

首先，政府应当加大对于基础交通设施的建设，尤其是建设和完善机场和铁路运输系统，从而全面满足电子商务产业发展的需求。

图7 RCS 测试系统

图8 紧缩场天线

空间法 RCS 测试需要满足远场条件，最小测试距离 R按式 (3)计算：

式中：D——天线和目标其中较大的尺寸；

λ——波长。

为得到理想的平面波，多釆用紧缩场技术［17］。馈源喇叭置于抛物面的焦点处，经过抛物面反射的波束就变成了各点同相位的平面波。图8为两种不同形式曲面的紧缩场图片。

外场 RCS测量是获取大型全尺寸目标电磁散射特性的重要手段，与微波暗室相比，外场 RCS 测量的优点：对目标尺寸无严格限制；测量结果更接近目标的真实情况；远场测量条件易于满足；可直接用于产品的电磁散射特性验收等。缺点是投入大、背景电平高、有多径影响、保密性差等。外场测试的布局与图片见图9 和图10。

图9 外场 RCS 测试布局示意图

图10 外场图片

4 隐身材料性能测试相关标准

目前可参照的隐身特性的相关测试标准有：

GB／T 5597-1999 固体电介质微波复介电常数的测试方法；

GB／T 7286.1-1987 金属与非金属材料全法向发射率试验方法；

SJ／T 20512-1995 微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法；

SJ／T 10142-1991 电介质材料微波复介电常数测试方法 同轴线终端开路法；

ASTM D 2520-2001 Standard Test Methods for Complex Permittivity(Dielectric Constant)of Solid Electrical Insulating Materials at Microwave Frequencies and Temperatures to 1650℃；

JIS R 1801-2002 用 FTIR 测量红外线加热器用陶瓷辐射材料频谱发射率的方法；

GJB 2038A-2011 雷达吸波材料反射率测试方法；GJB 5022-2001 室内场缩比目标雷达散射截面测试方法；

GJB 5023.1-2003 材料和涂层反射率和发射率测试方法 第1部分：反射率；

GJB 5023.2-2003 材料和涂层反射率和发射率测试方法 第2部分：发射率；

GJB 5027-2003 室外场雷达目标散射特性测试方法。

上述标准都是分别对材料的某一特性量参数进行量化测试，标准之间相互关联性欠缺，尚无综合评价标准。

5 结语

我国在隐身材料特性测试技术还处于发展应用阶段，在多个方面与工业先进国家的测试水平存在一定差距，需要进一步开展隐身材料特性计量测试技术的综合研究工作。

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Methods to Test Microwave Characteristic of Stealthy Materials

Duan Changsheng1, Liu Yubo1, Liu Yunsong2, Hao Xintian2
Zhang Yu3, Zhang Junying3, Jiang Weiwei3, Lin Shuai3, Xun Qining3(1. 2311 Secondary Metrology Station of Science, Technology and Industry for National Defence, Harbin 150046, China ；2. Test Institute of Aerospace Dynamic in Inner Mongolia, Hohhot 010076, China ；3. CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

stealthy material; microwave; test method

O652.7

A

1008-6145(2014)05-0130-05

联系人：张雨；E-mail: i53zhangyu@163.com

2014-06-19

10.3969／j.issn.1008-6145.2014.05.041

AbstrastMethods of microwave characteristc evaluation on stealthy materials were summarized. Electromanetic patameters, reflectivity, radar cross section (RCS) were introduced respectly. It was mainly introduced methods of the probe method, resonant cavity method, transmission and re fl ection method and free space method. The basic principles of the methods, the advantages and disadvantages of various methods, and the current problems existing in the research were discussed.