光学窗口电磁屏蔽性能分析与验证

2020-03-05马礼举

应用光学 2020年1期

马礼举，胡博，张翔

（1.中国人民解放军驻八四七军事代表室，陕西西安 710043；2.西安应用光学研究所，陕西西安 710065）

引言

随着现代军事技术的发展，隐身技术已成为战机特别是先进隐身战机的重要性能指标。而光学窗口作为隐身飞机光电载荷的重要组成部分，隐身成为必须具备的功能。国外典型的装备光电载荷电磁窗的隐身飞机有F-117 和F-35[1-2]。F-117 将光电转塔安装于机壳之下，如图1 所示，通过光窗对外进行观察。光学窗口上覆盖有金属网栅，主要用于对电磁波进行屏蔽，降低飞机整体的雷达散射截面(RCS)。F-35 飞机的光电载荷——EOTS（光电瞄准系统）使用中波红外和激光传感器。EOTS的隐身电磁窗组件是装载机头前下方的蓝宝石隐身窗口，如图2 所示，采用了7 块蓝宝石拼接的形式[3-4]，光学窗口上制作了金属网栅作为电磁屏蔽层，保证其隐身性能。

图1 F-117 飞机光学窗口Fig.1 Optic windows of F117

图2 F-35 飞机的光学窗口Fig.2 Optic windows of F-35

金属网栅作为光窗电磁屏蔽的主要途径之一，在军用和民用领域得到了广泛使用[5-7]。关于金属网栅电磁屏蔽性能计算，目前有Ulrich、Chen 与LZ 等人建立的等效电路模型[8]及Kohin 建立的等效薄膜模型[9]。这些模型中主要针对金属网栅的电磁屏蔽进行计算，以本文Kohin 的等效薄膜模型为基础，引入基底材料带来的影响，考虑电磁波在不同界面多次反射、折射和干涉效应，建立电磁屏蔽效率的计算模型，利用matlab 程序得到光学窗口电磁屏蔽曲线，最后制作测试样片验证计算结果。

1 金属网栅等效薄膜模型

Kohin 等效薄膜模型[9]如下：假设金属网栅可以等效为一层薄膜，表征为等效折射率ne和等效厚度de。其两侧是折射率分别为n0和ng的半无穷大介质边界，如图3 和图4 所示。网栅等效厚度de必须足够小以避免干涉效应。为此，为使等效薄膜造成的干涉效应足够小而不影响计算精度，de取值为亚纳米量级。

利用薄膜理论导出单层等效薄膜正入射时的透过率，见（1）式：

根据传输理论，具有不同绝缘边界的金属网栅的电磁透过率如下式：

式中R0／Z0和X／Z0分别为Ulrich 的等效电路模型中的等效阻抗和等效电抗。由（1）式～（4）式和等效电路模型中的R0／Z0和X／Z0计算可得到金属网栅等效折射率。

2 基底材料计算模型

实际中应用的光学窗口，金属网栅一般是镀制在光学窗内、外表面或者光学夹层中。考虑基底材料影响，利用菲涅尔定律入射波在上下两个界面的反射系数[10]和透射系数分别为

图3 金属网栅模型Fig.3 Model of metal mesh

图4 等效薄膜模型Fig.4 Model of equivalent film

式中rs1、rs2、ts1-2和ts2-1分别为基底上下表面的反射率，介质1 到2 的透过率系数和介质2 到1 的透过率系数。

电磁波在基底材料中反射的波束相位差为

电磁波入射到2 个界面时发生多次反射和折射。如图5 所示，界面1 处有反射和折射，界面2处也有反射后折射，而从界面2 反射到界面1 的电磁波又发生反射和折射，反射部分重复上述过程。

电磁波在介质中多次的反射，随着电磁波位相的不同将产生干涉，形成曲线谐振。界面1 的反射系数可按下式计算：

屏蔽效率S为

利用matlab 编写计算程序[11]，输入网栅参数为500 μm、15 μm，基底材料为成都光明的K9 玻璃，得到了厚度5 mm、10 mm、15 mm 下的电磁屏蔽效率曲线，如图6 所示。在10 mm 厚度情况下将基底材料更换为红外材料ZnS，得到两种材料的电磁屏蔽曲线，如图7 所示。通过曲线可以看出，同种材料厚度不同时会引起干涉谐振峰增多[12]，不过峰值处数据基本相同；当材料不同时，曲线峰值位置有变化。

从（1）式～（9）式可以看出，电磁波相位受基底材料厚度和折射率影响，而相位变化则直接影响曲线谐振峰的分布。根据上述的仿真计算，针对不同的需求可优化光窗的材料和厚度，从屏蔽效率、光学性能和机械性能等多学科开展综合设计，保证电磁窗的性能满足系统要求。

3 试验验证分析

目前武器系统装备的光电载荷朝向多光谱、共光路、小型化、智能化方向发展[13]，光窗作为光电系统重要组成之一，要根据光学系统的工作波段选择合适的材料。中波材料一般有蓝宝石、氟化镁、尖晶石、锗、硅等材料，长波材料一般为硫化锌、硒化锌等[14-15]。结合现有项目研制工作，在ZnS 基底材料上镀制含金属网栅的测试样片，见图8 所示，网栅参数见表1。然后进行电磁屏蔽效率测试，测试时只测试垂直入射的情况，测试设备为AV3655 隐身目标雷达散射截面测试仪，见图9所示，理论测试精度为1 dB。

将测试数据和仿真数据处理后绘制曲线，见图10 所示，从曲线中可以看出仿真和测试数据曲线趋势一致。仿真与实际测试精度误差约为2 dB～4 dB。造成曲线误差有3 方面的因素：1）采用等效模型自身存在误差；2）计算时输入材料的物理参数和实际材料之间的差异；3）测试存在一定的误差。

图5 电磁波在介质中反射/折射Fig.5 Electromagnetic wave reflection/refraction in medium

图6 厚度不同时的曲线Fig.6 Curves for different thicknesses

图7 材料不同时的曲线Fig.7 Curves for different materials

4 结论

本文以Kohin 的等效薄膜模型为基础，计算基底材料对入射电磁波的多次反射引起的干涉，推出计算模型并在ZnS 材料上镀制网栅进行测试。通过测试数据与仿真数据的对比，两者误差约为2 dB～4 dB。由于简化计算模型，计算程序中未引入网栅对基底材料干涉的影响，实际材料同程序中输入材料物理参数差异等因素，仿真曲线同测试数据有一定偏差。通过测试数据验证，在工程研制阶段可以快速地预估光学窗口屏蔽效率，指导设计工作。下一步将金属网栅对基底材料的影响添加至计算程序中，进一步完善计算模型，提高计算精度。