斜入射时抗电磁辐射材料电磁参数匹配的研究①

2018-08-03，，，

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年4期

，，，

(佳木斯大学理学院，黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

隐形技术俗称隐身技术，专业的术语称其为“低可探测技术”。[1]可以理解为通过某种方式减少自身被探测的可探测信息特征，其目的也就是为了减少被探测的可能性，使伪装由防御走向了进攻，由被动防守变成了主动出击。隐形技术包括雷达新型、红外隐形、可见光隐形、磁隐形以及声隐形等。文中研究的就可以作为磁隐形中的一种通过抗电磁辐射材料反射雷达探测波以达到隐形的目的。[2-3]

目前前沿科研机构在理论研究方面，对斜入射时抗电磁辐射材料电磁匹配性能的研究还很少，主要在理论上研究了斜入射时电磁损耗材料吸波性能，用三维网格法对其进行了评估以及应用方面的测量。[4-5]

从基本的电磁波理论出发，从分层介质这一方面进行研究，推导斜入射时抗电磁辐射材料的后向反射率公式，应用Matlab的三维网格法分别讨论电磁参数以及入射角等变量对此材料后向反射率的影响机制，从而给出可以指导工程实践的优化设计方案。

1 单层抗电磁辐射材料的反射系数推导

图1所示，有一厚度为d的抗电磁辐射材料，一定频率的电磁波入射到其上，夹角为任意角度。称入射前介质为1，抗电磁辐射材料为介质2，从材料中射出之后到达介质3。电磁波传播方向与介质分界面法线夹角分别为θ1、θ2、θ3,同时规定电磁波入射面与xz平面重合。另一方面各层介质上反射的波的振幅以及穿透各层介质的波的振幅用法向阻抗表示，这三种介质的法向阻抗分别用用Z1、Z2、Z3、表示。

图1 电磁波在损耗介质中的传输

(1)

(2)

其中μi、εi分别为介质的磁导率和介电常数。

根据折射规律，当电磁波到达介质2到3的交界面时会发生折射现象，满足折射定律，即

n3sinθ3=n2sinθ2

(3)

可得

(4)

E2=E2y=(aejα2z+be-jα2z)ejσ2x

(5)

其中α2=k2z=k2cosθ2，σ2=k2x=k2sinθ2，a为电磁波入射时的振幅，b为电磁波反射以后的振幅。这里忽略了e-iωt因子。

根据阻抗的定义可知，磁场沿切向的分量可以写成

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

Zin=jZ2tgα2d

(11)

搜寻文献可知

(12)

此公式可以用于求解电磁波在抗电磁辐射材料上的后向反射系数。

而对于有金属衬底的抗电磁辐射材料，后向反射系数可以写为

(13)

图2 斜入射时R(dB)与f、θ的关系曲线

图3 斜入射时R(dB)与f、θ的等高线

2 利用网格法讨论各个参数和反射率的关系

图4 斜入射时R(dB)与f、d的关系曲线

图5 斜入射时R(dB)与f、d的等高线

图6 斜入射时R(dB)与θ、d的关系曲线

从图2和图3可以看出电磁波在低频段(2-4GHz)受入射角度影响较大，在高频范围基本不受入射角度影响。当入射电磁波频率较小时，入射角度在较小时即30o以下时，对后向反射率影响不大；当度数达到30o以上时，随着度数的增加，后向反射率急剧减小。但整体后向反射率都有较大数值。

图7 斜入射时R(dB)与θ、d的等高线

图8 有金属衬底的单层结构的R和的关系曲线

基于图2和图3的讨论，我们选择有着较大反射率时的入射角即θ3=30o，作为第二项测试的初始角度，利用Matlab三维网格法讨论入射电磁波频率f以及抗电磁辐射厚度d对后向反射率的影响。从图4和图5可知当频率较小即2-6GHz以内时，在较小厚度即0-6mm以内，随着厚度的增加，后向反射率急剧增大；当厚度达到15mm以后，厚度对后向反射率的影响变得较小。当厚度较小即0-6mm以内时，在频率较小即2-6GHz范围内，随着频率增加后向反射率急剧增加；在频率大于6GHz之后，频率的变化对后向反射率的影响减小。也就是当厚度较的材料对频率较大的电磁波有着较大的反射率。

同图4和图5的类似，同样选择有着较大后向反射率时的频率f=4GHz作为初始频率，利用Matlab三维网格法讨论入射角度以及材料厚度d对后向反射率的影响。有图6和图7 可知，当介质厚度较小即0-6mm范围内时，角度对后向反射率的影响较大。随着角度的增加，后向反射率逐渐增加。当角度大于30o时材料有着较大的后向反射率，可以达到7dB以上。而当厚度达到6mm以上时后向反射率都可以达到9dB以上。

3 吸波特性的辅助设计

根据上边利用三维网格法讨论的结果，我们选择θ3=30o、d=6mm，f=4GHz时的状态，对材料的介电常数以及磁导率进行了优化设计，如图8、9所示。

由图8 可知当介质1的磁导率取较小值、介质2的磁导率取较大值时，材料会有较大后向反射率。

由图9可知当介质1的介电常数及介质2的介电常数都较小时，材料会有较大的后向反射率。

4 结论

通过利用传输线理论推导出的电磁波斜入射时的后向反射率公式可以看出，材料厚度同其他电磁参数一样对后向反射率的大小有很大的影响，即在2-8GHz频段内，随着厚度的增加，后向反射率的衰减dB值变得越来越大。为能够满足当前部分军事和民用中衰价值的要求应使材料厚度大于6mm，体现出材料对电磁波有很好的吸收作用。