铌掺杂ITO镀膜玻璃电磁散射特性试验

刘战合，王菁，王晓璐，姬金祖，黄沛霖

(1.郑州航空工业管理学院 航空工程学院，郑州 450046) (2.北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

0 引 言

随着现代军事技术的发展，隐身技术成为先进武器平台的主要技术指标[1-3]。对于飞行器(例如战斗机、武装直升机等)，座舱是其头向雷达散射截面(Radar Cross Section，简称RCS)影响较大的三个散射源之一[4-6]，现代先进的隐身飞机(例如F-22、J-20等战斗机)及部分隐身化改进的飞机，采用薄膜沉积技术，在座舱玻璃表面涂覆一层或多层导电膜，以达到控制电磁波透射率、反射率的目的[7-9]。

结合外形隐身技术，座舱玻璃镀膜可以实现对电磁波反射波峰的大小、方向等的控制。用于座舱玻璃透明导电功能的膜系可以分为早期的金属复合膜系和透明导电膜系(Transparent Conductive Oxides，简称TCO)[10]。金属复合膜系(例如TiO2/Au/TiO2膜系[11])以金属为功能层(金属通常选择金属金或银)，实际工程中由于金属本身极易氧化，尤其是湿盐环境下，电磁波控制性能将大幅降低，甚至损失基本功能，同时，金属膜层透光率较低；相对而言，TCO通常为单层金属氧化物或多层金属氧化物氮化物膜系，例如单独采用ITO(Indium Tin Oxides)[12-13]，或者在ITO、AZO(ZnO：Al2O3)[10]的基础上辅以其他介质保护或光学控制的膜层，该类膜系由于采用的金属氧化或氮化物通常具有较高的稳定性，尤其适合飞行器、武器系统在极端环境下的高效工作。从电磁隐身功能实现角度来讲，金属具有较高的电磁反射效果，是实现电磁波控制的有效途径；对于座舱玻璃的电磁隐身，通常是通过提高表面导电率来实现，但TCO与金属导电原理不同，TCO本质上属于半导体，区别于金属的自由电子导电原理，TCO根据P型、N型的掺杂原子替代原理的不同有电子和空穴导电两种情况，当前飞行器座舱玻璃隐身主要采用N型半导体材料(例如ITO、AZO)。基于方块电阻对电磁散射的影响考虑，李玉杰等[7]针对飞机座舱有机玻璃，研究了ITO薄膜附着力影响关系及优化方法；刘战合等[8]研究了铌掺杂ITO薄膜工艺参数对方块电阻和透光率的影响。基于磁控溅射工艺，Z.Ghorannevis等[14]研究了AZO等薄膜方块电阻、透光率等的影响因素。但是，对两种薄膜方块电阻、可见光透光率、RCS等的相互耦合关系缺乏深入研究，尤其对RCS的反射、屏蔽特性尚需进一步研究。

针对以上情况，本文以非平衡磁控溅射镀膜的铌掺杂ITO(Nb-Doped Indium Tin Oxides)镀膜玻璃为研究对象，系列化测试10、15 GHz入射频率下不同方块电阻镀膜玻璃的RCS曲线，研究其RCS散射规律，分析方块电阻对RCS的影响规律，以对应金属板为基础，分析导电玻璃不同角域上RCS与方块电阻、可见光透过率的变化规律。

1 研究方法

1.1 铌掺杂ITO镀膜玻璃

采用非平衡磁控溅射技术[15]在3 mm厚浮法玻璃表面沉积具有不同方块电阻的铌掺杂ITO薄膜[8,13]，镀膜时室内温度18～26 ℃、湿度小于55%，镀膜中基底样品为室温，即采用室温镀膜方法。系列铌掺杂ITO镀膜玻璃，尺寸均为10 cm×10 cm，采用优化的工艺参数，保证可见光透过率满足飞行器座舱玻璃对采光需求，为了提高导电性，方块电阻为20～150 Ω/m2，依次分为7个镀膜玻璃试件，分别对其编号为1#～7#，同时为了研究铌掺杂ITO电磁散射特性，将其RCS结果与同等大小金属铝板(编号为0#)进行对比分析，研究铌掺杂ITO镀膜玻璃的RCS分布及与方块电阻之间的内在影响关系。本文用于试验的铌掺杂ITO镀膜玻璃的方块电阻R、可见光透过率T如表1所示。

表1 铌掺杂ITO镀膜玻璃光电参数Table 1 Optoelectronic parameters of Nb-doped ITO coated glass

1.2 试验方法

本文研究ITO镀膜玻璃相对于金属板的电磁散射特性，而对于散射而言，其重点关注的影响范围为垂直其表面的一定角域。针对以上情况，在暗室进行测试，其测试方案如图1所示。

图1 暗室测试试件安装示意图Fig.1 Installation diagram of specimen in darkroom test

实际测试过程中，铌掺杂ITO镀膜玻璃试件随测试转台旋转，完成不同方位角RCS测试，定义入射电磁波垂直薄膜表面为0°，沿旋转台旋转范围为0～180°。为了便于分析，定义80°～100°为头向20°角域，60°～120°为头向60°角域，测试频率为10、15 GHz，实际暗室测试如图2所示。

图2 铌掺杂ITO镀膜玻璃暗室RCS测试图Fig.2 Sketch of NB-doped ITO coated glass’s RCS test in darkroom

2 镀膜玻璃隐身性能评估方法

座舱玻璃镀膜的外形隐身是飞行器座舱隐身的主要技术手段，用于座舱玻璃的透明导电膜机理不同，其导电性和电磁散射性能表现不同。针对飞行器座舱镀膜玻璃，评价其隐身性能或电磁散射性能，可与相应几何尺寸大小的金属板进行对比，来研究其对飞机座舱隐身性能的贡献。

记金属板在某一入射频率的RCS测试结果为σmetal，单位为dBsm[16-17]，对应铌掺杂ITO镀膜玻璃的RCS测试结果为σNb-ITO，理想的具有外形隐身性能的座舱玻璃镀膜具有与同等条件金属材料的电磁散射相同或接近，因此，评价其隐身性能可由二者差异来确定。

为了定量描述其外形隐身性能差异，从RCS角度出发，定义RCS增益如下：

G=σmetal-σNb-ITO

(1)

当RCS增益G接近或等于0 dB时，铌掺杂ITO镀膜玻璃具有与金属同等的隐身或电磁散射性能，而当G越大时，铌掺杂ITO镀膜玻璃的隐身效果越差。

由于RCS曲线对入射角比较敏感，RCS分析时，通常采用一定角域内[a,b]的RCS算术均值或几何均值来研究电磁散射特性，a、b分别为起始、结束方位角，记N为[a,b]角域上RCS测试采样点数目，σi为第i个方位角上的RCS，此时角域[a,b]内RCS的算术均值为

(2)

通常计算测试结果普遍采用dBsm为单位，记σdBsm,i为第i个方位角上的RCS，与式(2)类似，相应的以dBsm为单位的算术均值为

(3)

本文测试结果为dBsm，分别以金属和铌掺杂ITO镀膜玻璃的RCS算术均值为基准，计算其[a,b]角域内的RCS算术均值增益(简称增益)。

(4)

理论上讲，上述定义在[a,b]角域内的RCS算术均值增益大于0 dB，但不排除由于测试和计算精度的原因，引起有稍小的差异。同时，该值表示在角域[a,b]范围内的隐身性能高低，通常增益越大时，表明用于座舱玻璃的透明导电薄膜的外形隐身性能越低，即其电磁散射特性与对应金属散射性能差异越大；反之，增益越低，甚至接近于0 dB时，表明座舱玻璃的外形隐身越接近金属化效果。从外形隐身角度考虑，通常重点讨论镜面散射区别，为了更加详细地研究座舱玻璃方块电阻对隐身性能、电磁散射特性的影响，本文重点讨论正入射左右20°角域和60°角域上的增益，以研究座舱玻璃的电磁散射特性。

3 铌掺杂ITO镀膜玻璃RCS特性

为了研究铌掺杂ITO镀膜玻璃的电磁散射特性，对不同方块电阻及对应金属板进行测试。10、15 GHz入射频率的HH、VV极化时的系列化试件RCS测试曲线如图3～图4所示。

(a) HH极化

(b) VV极化图3 10 GHz HH极化和VV极化RCS测试曲线Fig.3 RCS curves with 10 GHz and HH polarization, VV polarization

(a) HH极化

(b) VV极化图4 15 GHz HH极化和VV极化RCS测试曲线Fig.4 RCS curves with 15 GHz and HH polarization, VV polarization

从图3～图4可以看出，铌掺杂ITO镀膜玻璃具有以下电磁散射特点：

①曲线分布特性。与对应金属板散射分布类似，在头向20°角域，为典型的镜面散射，其余角域RCS逐渐降低，镜面散射部分是本文重点研究部分，该部分对外形隐身较为明显，因此以下分析中，以该部分为主要研究对象。

②方块电阻影响。方块电阻对RCS散射曲线有重要影响，方块电阻变大时，RCS在各个角域上趋于变小；对于镜面散射部分，当方块电阻值较小时(小于40 Ω/m2)，镜面散射的波峰与金属基本一致，表明具有较好的外形隐身效果，随着方块电阻变大，波峰逐渐变小，尤其在方块电阻大于100 Ω/m2时，尽管由于具有一定导电性，仍然存在波峰，但其峰值已有较大降低。

③频率特性和极化特性。15 GHz时，HH和VV极化的镜面散射波峰宽度比10 GHz要窄，同时，铌掺杂ITO镀膜玻璃的散射波峰在15 GHz表现得更窄；与HH极化曲线相比，VV极化的RCS曲线变化较为敏感，方块电阻变大时，其RCS曲线在较大角域范围内有所降低。

4 铌掺杂ITO镀膜玻璃电磁散射特性

4.1 头向20°角域RCS算术均值特性分析

本文主要研究角域为头向20°和60°角域，但从算术均值角度看，60°角域与20°角域散射规律类似，因此讨论算术均值时重点讨论对外形隐身产生重要影响的头向20°角域。以暗室RCS测试数据的算术均值为研究对象，计算得到铌掺杂ITO镀膜玻璃在头向20°角域的RCS(以dBsm为单位)算术均值，如表2所示。

表2 头向20°角域RCS算术均值Table 2 RCS arithmetic means in angle domains of heading 20 degree

4.2 不同角域RCS算术均值增益分析

为了进一步分析外形隐身效果，以RCS算术均值增益为研究对象进行研究。考虑铌掺杂ITO镀膜玻璃与对应金属材质在更大角域内的贡献，关注头向20°和60°角域；对其他角域，由于受RCS分布影响，从外形隐身角度出发，研究意义较小。铌掺杂ITO镀膜玻璃在头向20°和60°角域内的RCS算术均值增益分别如表3～表4所示。

表3 头向20°角域增益Table 3 Gains in angle domains of heading 20 degree

表4 头向60°角域增益Table 4 Gains in angle domains of heading 60 degree

从表3～表4可以看出：在铌掺杂ITO镀膜玻璃方块电阻较小时，增益较小，与金属板相比在-1～4 dB，结合图4，方块电阻较小时，该镜面散射区域的RCS曲线基本重合，差异较小；方块电阻增大时，增益迅速变大，达到80 Ω/m2以上时，增益增大约10 dB，表明铌掺杂ITO镀膜玻璃的RCS降低一个数量级，即，从曲线角度看，尽管仍具有一定的外形隐身作用，但其影响显著降低；对于增益变化来说，也有一定的极化特性，对于头向20°角域，VV极化增益相比HH极化大，表明VV极化影响较为明显，但在方块电阻较小时，即小于40 Ω/m2时，仍具有较高的外形隐身作用，增益在5 dB以内，同时RCS测试曲线也说明了这一点；对于头向60°角域，由于受一定非镜面散射区域影响，增益在方块电阻较小时相对较大，而在方块电阻较大时，其增益变大，但也有部分情况下增益变化较小情况。其他变化规律基本与头向20°角域类似。

4.3 方块电阻对RCS均值增益的影响

(a) 10 GHz

(b) 15 GHz图5 10 GHz和15 GHz增益变化曲线Fig.5 Curves of gains in 10 GHz and 15 GHz

从图5可以看出：

(1) 方块电阻增大时，在头向20°和60°角域内，10、15 GHz情况下的增益均逐渐变大，尤其在头向20°角域，真正有外形隐身作用的是在方块电阻小于40 Ω/m2。

(2) 对于10 GHz，方块电阻较小时，在20～40 Ω/m2，头向20°和60°角域的RCS增益均比较小，表明此范围均有较高的外形隐身效果；而方块电阻较大时，HH、VV极化的影响规律逐渐分散，两个角域内的HH极化RCS均值增益较为明显；对于15 GHz，方块电阻较小时，VV极化RCS增益较为明显，但增益在外形隐身接受范围内，方块电阻变大时，与10 GHz规律基本一致，而HH、VV极化差异相对较小。

(3) 对于头向20°，两个频率、两种极化下的增益变化曲线趋势基本一致，而头向60°角域的增益变化曲线表现为一定的震荡性。

分析以上结果，其原因主要是：在头向20°角域，主要表现为镜面散射效果，结合散射曲线，此时影响因素比较单一，也更能体现出铌掺杂ITO镀膜玻璃的外形隐身作用；而在头向60°角域，计入了大量镜面散射之外的RCS散射效果，影响外形隐身效果的分析，由于不同频率、不同方块电阻下的测试曲线在镜面散射之外震荡较为明显，且不具有明显一致现象，导致对增益的影响产生震荡效果。

从测试结果来看，铌掺杂ITO镀膜玻璃的方块电阻对RCS增益有较大影响，方块电阻较小时，具有较好的外形隐身效果，但方块电阻过低会带来薄膜增厚、透光率降低、工艺过程复杂、成本较高的缺点，因此，应根据实际需求，合理调整方块电阻和外形隐身、透光率的关系。

5 结 论

(1) 具有外形隐身效果的铌掺杂ITO镀膜玻璃的RCS曲线分布规律与对应金属板基本一致，表现为镜面散射区(即头向20°角域)的散射曲线波峰形式、宽度、高度等相似。

(2) 铌掺杂ITO镀膜玻璃在不同入射频率、不同极化情况下均具有外形隐身效果，且当方块电阻小于40 Ω/m2时，具有与金属材质类似的外形隐身作用，不影响座舱内采光需求；频率较高时，波峰较窄，VV极化变化更敏感。

(3) 铌掺杂ITO镀膜玻璃的方块电阻越大，其RCS增益越大，隐身性能变弱，通常为了获得优异的外形隐身效果，方块电阻应小于40 Ω/m2。

[1] Yue K Z, Liu W L, Ji J Z, et al. Numerical simulation of RCS for carrier electronic warfare airplanes[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 28(2): 545-555.

[2] 桑建华. 飞行器隐身技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2013.

Sang Jianhua. Low-observable technologies of aircraft[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2013.(in Chinese)

[3] 刘战合, 王晓璐, 王菁, 等. 理想缺陷目标电磁散射特性提取新方法[J]. 航空工程进展, 2017, 8(2): 236-243.

Liu Zhanhe, Wang Xiaolu, Wang Jing, et al. Novel extraction approach of electromagnetic scattering for ideal discontinuities[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2017, 8(2): 236-243.(in Chinese)

[4] Liu Z H, Huang P L, Gao X, et al. Multi-frequency RCS reduction characteristics of shape stealth with MLFMA with improved MMN[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(3): 327-333.

[5] 姬金祖, 王岩, 黄沛霖, 等. 基于矩量法的机身截面电磁散射特性分析[J]. 航空工程进展, 2013, 4(1): 37-42.

Ji Jinzu, Wang Yan, Huang Peilin, et al. Study on electromagnetic scattering characteristics of fuselage section based on method of moment[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2013, 4(1): 37-42.(in Chinese)

[6] 陈世春, 黄沛霖, 姬金祖. 典型隐身飞机的RCS起伏统计特性[J]. 航空学报, 2014, 35(12): 3304-3314.

Chen Shichun, Huang Peilin, Ji Jinzu. Radar cross section fluctuation characteristics of typical stealth aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(12): 3304-3314.(in Chinese)

[7] 李玉杰, 陈东林, 李玉琴, 等. 飞机座舱有机玻璃与ITO薄膜附着力优化[J]. 塑性工程学报, 2012, 19(1): 113-117.

Li Yujie, Chen Donglin, Li Yuqin, et al. Optimization of adhesion force between ITO films and PMMA used in airplane canopy[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2012, 19(1): 113-117.(in Chinese)

[8] 刘战合, 姬金祖, 王晓璐, 等. 飞机座舱玻璃铌掺杂ITO镀膜工艺参数选择[J]. 航空工程进展, 2017, 8(1): 78-83.

Liu Zhanhe, Ji Jinzu, Wang Xiaolu, et al. Parameter selection of Nb-Doped ITO coating process for aircraft cockpit glass[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2017, 8(1): 78-83.(in Chinese)

[9] 邓金萍, 李闻, 俞金海, 等. 基于视觉仿真的飞机座舱风挡炫光分布影响研究[J]. 航空工程进展, 2012, 3(3): 284-288.

Deng Jinping, Li Wen, Yu Jinhai, et al. Cockpit windshield glare analysis based on optical simulation[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2012, 3(3): 284-288.(in Chinese)

[10] Kyu Ung Sim, Seung Wook Shin, Moholkar A V, et al. Effects of dopant(Al, Ga, and In) on the characteristics of ZnO thin films prepared by RF magnetron sputtering system[J]. Current Applied Physics, 2010, 10(3): 463-467.

[11] Zhou J, Wu Z, Liu Z H. Optical and electrical properties of TiO2/Au/TiO2multilayer coatings in large area deposition at room temperature[J]. Rare Metals, 2008, 27(5): 457-462.

[12] 张维佳, 王天民, 崔敏, 等. 高密度高导电性ITO靶研制[J]. 稀有金属材料与工程, 2006, 35(7): 1021-1024.

Zhang Weijia, Wang Tianmin, Cui Min, et al. Manufacture of ITO target with high density and high conductivity[J]. Rare Metal Materials & Engineering, 2006,35(7): 1021-1024.(in Chinese)

[13] 马晓波, 张维佳, 王东新, 等. 共沉淀粉末与混合粉烧结ITO靶材的微观组织结构研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2015(12): 2937-2942.

Ma Xiaobo, Zhang Weijia, Wang Dongxin, et al. Comparing microstructures of ITO sputtering targets prepared by tin doped indium oxide powders and In2O3-SnO2mixed powders[J]. Rare Metal Materials & Engineering, 2015, 44(12): 2937-2942.(in Chinese)

[14] Ghorannevis Z, Akbarnejad E, Salar A, et al. Application of RF magnetron sputtering for growth of AZO on glass substrate[J]. Journal of Crystal Growth, 2016, 447: 62-66.

[15] Zhou J, Wu Z, Liu Z H. Influence and determinative factors of ion-to-atom arrival ratio in unbalanced magnetron sputtering systems[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2008, 15(6): 775-781.

[16] Liu Z H, Huang P L, Gao X, et al. Multi-frequency RCS reduction characteristics of shape stealth with MLFMA with improved MMN[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2010, 23(3): 327-333.

[17] Ji J Z, Huang P L. Series expansion feasibility of singular integral in method of moments[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 2014, 25(3): 386-392.