电磁超材料在超宽带雷达隐身微小卫星设计中的应用

孔祥鲲，孔令奇，姜顺流，胡豪斌，张 翔

(1. 南京航空航天大学雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室，南京 210016； 2. 南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引 言

随着现代各种光电磁探测技术的迅猛发展，传统通信卫星收到的威胁越来越严重。隐身卫星的研制对于反敌方探测和监视具有重要意义，日益引起世界各国的普遍重视[1-3]。美国将隐身技术列为国防三大高技术之一，给予高度关注。

雷达主要工作在3 MHz～300 GHz，其中2～18 GHz频段的S、C、X、Ku波段是重要的雷达探测波段，也是世界各国力求突破的超宽频带雷达隐身频段。美国自20世纪60年代以来一直开展隐身卫星的研究，先后研制出雷达隐身外形RCA(Radar Camouflage Arrangement)，太空吸波结构SES(Self Erectable Structure)，有效遮挡外形CSASS (Crossed Skirt Antiradar Screen Structure)，卫星隐身外形SSSS(Satellite Signature Suppression Shield)以及“朦胧系列”隐身卫星。可以看到，目前雷达隐身研究和试验的手段大体分为被动隐身和主动隐身两类，以降低卫星雷达散射截面(Radar Cross-Section，RCS)为目的，实现的主要途径有：(1)卫星低RCS结构设计；(2)卫星表面材料设计。其中卫星表面材料设计往往采用吸波材料和漫反射材料，达到RCS缩减的目的，它因为不改变或者极少改变卫星的设计外形显示出巨大优势。但是采用传统的吸波材料，往往产生吸波频带窄、体积大、材料重、吸波性能有限等缺陷，不能满足“薄、轻、宽、强”的性能要求，其在微小卫星隐身领域存在应用局限。

电磁超材料(Metamaterial)是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊电磁特性，而且这些性质主要来自人工的特殊结构而非组成的材料[4-6]。研究人员发现，人工电磁超材料对电磁波调控能力极强，对电磁波的传播路径、幅度、方向、极化、相位以及频谱都有极强的调控能力。电磁超材料吸波体的全新概念就是基于对电磁波振幅的调控，自2008年美国波士顿大学的Landy等学者提出以来[7]，得到世界范围内学者的广泛关注。而超宽带电磁超材料吸波体相对于传统雷达吸波体，具有带宽宽、厚度小、吸波性能强等优势，目前实现多频或宽频的主要方法主要有：组合多个谐振结构单元[8-10]；多层谐振结构耦合[11-13]；加载集总电子元件[14-16]；加载高阻表面[17-22]等。

本文设计了两种不同类型的电磁超材料雷达吸波体，分别适用于微小卫星星体及太阳能电池阵受光面，达到超宽带隐身的目的。其中适用于卫星星体的吸波体采用多层耦合实现结构单元的小型化，结合高阻表面技术，建立全方位多维度(宽角、超宽带)耦合型吸波体实现2～18 GHz，覆盖S、C、X、Ku频段的吸波体。适用于太阳能电池阵受光面的吸波体则采用光学透明的氧化铟锡(ITO，Indium Tin Oxides)结合石英玻璃媒质构建单层电磁超表面，利用对电磁波极化方式的调控和吸收实现X、Ku频段范围内的宽频散射和吸波，达到RCS有效降低的目的。论文首先给出微小卫星隐身设计的要求；然后根据性能要求设计卫星星体电磁超表面多层复合结构，太阳能电池阵单层透光超表面结构单元；优化各层结构参数和材料电性能参数；对两种超材料样品的吸波性能，以及卫星整星加载吸波材料前后的单站RCS进行仿真；完成实物样品加工后，在微波暗室系统中对其电性能进行测试比对，验证实验样品的隐身性能。

1 微小卫星隐身材料设计要求

1.1 星体及太阳能电池阵背光面隐身材料设计要求

微小卫星星体及太阳能电池阵被光面相对平整，但面积有限。需要在有限的表面足够多的排布超材料的周期结构单元，因此结构单元具有小型化的结构特点。针对2～18 GHz的主要雷达探测波段,需要实现宽频带的吸波性能，吸波效率达到90%以上的频带覆盖S、C、X、Ku波段；同时卫星对地姿态具有不确定性，因而吸波频带需要同时满足大角度入射条件下，吸收或者散射电磁波效果显著。

在实际工程应用中，由于隐身材料需要安装在星体表面，需要一定的结构强度，但又不能重量过重导致载荷增加过多，材料重量不大于10 kg/m2。为了不影响星体的结构和形状，材料厚度需要控制在15 mm以内。此外，为了克服外太空原子氧对电磁超材料结构的剥蚀，需要对材料表面结构进行保护，并且考虑隐身材料同其下层的绝热材料装配结合。

1.2 太阳能电池阵正面隐身材料设计要求

太阳能电池阵是卫星工作的主要能量来源，隐身材料的设计必须在满足宽带低散射的同时保持电池阵受光面具有高透光率。需要解决利用透光材料代替传统低散射材料的问题，同时满足宽带、小型化、结构强度、抗原子氧剥蚀、重量限制等要求。

1.3 技术难点

该微小卫星隐身材料的设计技术难点包括以下几点：(1)需要针对超宽带吸波带宽，建立耦合型吸波结构电磁参数模型和表征方法，构建吸波及散射性能优异的结构设计方案；(2)应用宽频吸波器传输线模型的建模仿真和参数优化方法，得到吸收率大于90%条件下，带宽增加的实现方式；(3)为了提高隐身材料的结构强度、抗原子氧剥蚀能力，降低多层耦合材料厚度，需要将结构强度材料、层间粘合胶膜和结构保护材料综合考虑，联合仿真；(4)需要将光学透明的ITO取代传统金属谐振结构，结合高透光玻璃，实现超宽带低散射单层ITO结构电磁超表面结构设计；(5)由于受光面低散射材料需要较高的透光率，因此不能采用多层ITO结构设计达到带宽拓展的目的，对带宽拓展有较大限制；(6)由于卫星姿态，探测方向的不确定性，两类吸波结构需要实现大角度范围内吸波性能较好，吸波频带不能随角度有过大的波动。

2 结构设计与性能分析

2.1 多层结构超宽带吸波体设计与性能分析

为了实现2～18 GHz超宽带范围内电磁波的吸收，本文采用等效电路理论分析方法和阻抗分析方法。先分析多层超材料需要满足的谐振特点、谐振频率以及阻抗特性，再寻找满足该谐振特性的结构与它对应，最终通过优化确定各层结构参数。这里采用材料电磁损耗较大的环氧树脂玻璃纤维板(FR-4，介电常数ε=4.4，损耗正切角tanδ=0.02)作为结构附着基底层，具有一定阻值的高阻碳浆构建结构层，其方阻值为50Ω/m2。理想电性能超材料单元结构示意图及三维空间分布图如图1所示。单元尺寸参数为p=11 mm,a=9.8 mm,b1=2.3 mm,b2=9 mm,c=10 mm,d1=0.3 mm,d2=d3=1 mm,h1=4 mm,h2=2 mm,h3=3.4 mm。

图1 理想电性能超材料单元结构示意图Fig.1 Schematic of the proposed metamaterial absorber

由于微小卫星发射后工作于外太空，除了具备一定的隐身性能以外，还需要具备在外太空恶劣条件下依旧能正常工作的能力，因此相对于传统的超材料吸波体，本文所提出的电磁超材料吸波体，在结构方面进行了一定的改进。如图1所示，为了保证该超材料具有一定的结构强度，本文引入了芳纶纸蜂窝夹芯板替换传统吸波体中的空气层，为了使各层吸波层能够紧密连结，加入了胶膜并对超材料吸波体进行高温压合以增加结构强度和隔绝空气。同时，为了使超材料吸波体能够抵抗外太空原子氧对表面结构的剥蚀，在每层印刷电阻墨水的吸波层表面贴覆了聚酰亚胺膜(PI膜，介电常数ε=3.5，损耗正切角tanδ=0.0027)。

图2 垂直入射条件下，反射率和吸波率曲线Fig.2 Simulated reflectivity and absorptivity spectra of the metamaterial absorber under normal incidence

2.2 透光型混合结构宽带吸波体设计与性能分析

为保证所设计的隐身结构具有良好的光透性，让太阳能电池阵能够正常工作，在仿真优化中始终保持只使用1层ITO膜作为单元结构。如图3所示，所设计的可见光透明隐身结构主要由三层结构层叠而成。最上层和底层分别为2 mm和1.1 mm厚的高透光玻璃，这两层玻璃中间由材质为ITO的单元结构周期性排列而成，其中ITO层的方阻值为25Ω/m2。如图3所示，中间层的单元结构由一个圆形ITO结构和一对长度不相等的弧形ITO结构组成，单元结构的参数如下：a=b=7.5 mm,w1=2.4 mm,w2=2.6 mm,R1=R2=3.7 mm,R3=0.8 mm,α=125°,β=195°。由于该隐身结构应用于太阳能电池阵表面上，经测试，该太阳能电池阵可做金属背板使用。因此设计的透光隐身结构为反射型。仿真中，我们直接用太阳能电池阵代替金属背板置于整个隐身超表面结构的底部。

图3 透明超表面单元结构示意图Fig.3 Configuration of the unit-cell of the proposed metamaterial absorber with high opticaltransparency

借助于CST微波工作室，对所设计的光透隐身超表面的单元结构进行仿真。获得的共极化与交叉极化反射系数如图4所示。可以看出，7.0 GHz至17.6 GHz频段范围内，共极化反射系数值和交叉极化反射系数值均在-10 dB以下。在7～18 GHz频段内，水平(或垂直)极化的平面波垂直入射时，有一小部分入射波发生了极化转换，有很大一部分入射波被吸收掉，而反射的电磁波能量极少。通过计算，光学透明隐身超表面的吸波率如图4所示，在7～18 GHz频段范围内，吸波率均达到80%以上，在11.2～17.4 GHz内，吸波率可以达到90%。达到隐身频段覆盖X和Ku波段的设计目标。

图4 垂直入射条件下共极化和交叉极化反射系数Fig.4 Co-polarized and cross-polarized reflection spectra of transparent absorbers under normal incidence

2.3 卫星整体加载隐身材料单站RCS分析

为研究整星加载超表面前后的隐身效果，建立简化后的卫星模型，设置平面波入射，仿真未铺有超表面和有超表面覆层的双站RCS。为了对比显示出超表面的隐身作用，只在卫星正面涂有吸波覆层，而在卫星背面无覆层。卫星在6 GHz频率平面波入射条件下的双站RCS如图5所示，(b)图中涂有高阻表面一侧的RCS与(a)图中金属的相比有明显的缩减，这充分说明了超表面可以较好地实现卫星RCS缩减的目的。

图5 6 GHz频点处整星双站RCSFig.5 Bistatic RCS patterns at 6 GHz for the whole satellite

另外，我们还仿真了在不同频点处，卫星的xoz面和yoz面内的单站RCS缩减情况，图6给出了单站RCS扫描平面示意图。利用CST微波工作室中的多层快速多极子求解算法(MLFMM)来计算2 GHz, 6 GHz和12 GHz时，在φ=0 (即xoz面内)和90°(即yoz面)面内不同入射角度下的单站RCS，

图6 单站RCS扫描平面示意图Fig.6 Schematic of the monostatic RCS scanning plane

如图7所示。可以看出涂有高阻表面的卫星的RCS在绝大部分角度下的单站RCS都远小于全金属表面卫星的RCS，表明超材料覆层可以在宽频带内有效地降低单站和双站RCS，极大地提高卫星的隐身性能。由图7还可以筛查出RCS缩减明显的角度范围，为卫星对地姿态的调制提供依据。由图8给出的卫星整星单站RCS缩减频谱可知，在1～20 GHz的频带范围内，单站RCS缩减平均值能达到18 dB。当然，以上仿真数据获得的前提是卫星模型简化，表面特别平整，不考虑吸波材料分布不均匀，是一种极其理想的情况，具体工程实际中会有一定偏差。

图7 卫星被电磁超表面覆盖前后计算的单站RCS对比Fig.7 Comparison of the monostatic RCS obtained by simulation before and after satellites are covered by metasurface

图8 单站RCS缩减效果Fig.8 The effect of the monostatic RCS reduction

3 隐身材料加工样件与电性能测试

3.1 多层结构超宽带吸波体性能测试与比对

为了通过实验进一步验证所涉及的电磁超材料吸波体的电磁性能，加工出的复合电磁超材料吸波体样件实物如图9所示，实物样件每层的单元结构数为30×30，边长为330 mm×330 mm，整体厚度为11.5 mm。在每层吸波层加工了4个定位孔，以便于保证每层单元结构纵向上一一对应。同时，表面贴覆PI胶膜且加入芳纶纸蜂窝夹芯板的效果如图9所示，PI膜厚度仅为0.03 mm。，可见芳纶纸蜂窝不仅保证了吸波材料的结构强度，还保证了吸波层介质基板的平整性，增强了电磁超材料吸波体电磁性能的稳定性。

图9 电磁超材料实物图Fig.9 Sample of the metamaterial

图10 测试与仿真结果比对Fig.10 Comparison of test and simulation results

该吸波材料的弯曲刚度经测试为1.9×106N·mm，密度6.3 kg/m2，可通过预埋固定件装配卫星。样件的导热系数10-5W/(m·K)，相当于15层隔热多层材料，整体厚度小于12 mm。由于高阻碳浆结构表面均覆盖了PI膜，所以可以有效抵御外太空原子氧的剥蚀。

3.2 透光型混合结构宽带吸波性能测试与比对

透光型混合结构构建的超材料样品如图11(a)所示。周期性ITO结构通过激光蚀刻技术喷镀在玻璃上，加工精度最小为10 μm。超薄层光学透明粘合剂用于粘合上下玻璃板以保证优异的透光性能。所加工的实物尺寸为300×300 mm,与提供的太阳能电池阵样件配合使用。如图11(b)所示，光学透过率通过透光率测试仪(LH-221)进行测量，该仪器透光率偏差小于1%。通过随机选取多点测量，样品整体的可见光透光率在80%以上,而红外和紫外光的透光率低于70%。在可见光波段内，平均透光率可达到83.8%，最高透光率可达到87.6%。

图11 透光型吸波体样品及透光率测试图Fig.11 The absorber sample with high optical transparency and transmittance test

采用和多层结构超宽带吸波体相同的测试环境，样品的吸波性能可以通过自由空间法测量反射系数表征。图12显示了透光型吸波超材料样品在6～18 GHz范围内的测量共极化反射系数。由测试数据可以看出，样品在7～18 GHz范围内获得了较大吸收率，在正入射条件下吸波率大于87%。仿真和测量的吸收带宽之间的微小偏差主要是由于制造和组装公差、测量误差以及ITO表面电阻的不确定性引起的。仔细比对实验与仿真结果，会发现实验获得的吸波率较仿真值有轻微下降，但谐振频点两者吻合良好，证明了本文提出的吸波体方法是可行的，在实际应用中确实可以高效地减少后向反射，显示出对太阳能电池阵受光面单站RCS缩减的潜力，同时保证了高透光性，确保太阳能电池阵主要性能的稳定。该吸波材料密度为7.7 kg/m2，整体厚度3.1 mm。

图12 测试与仿真结果比对Fig.12 Comparison of test and simulation results

4 结 论

本文针对微小卫星在雷达频段面临的宽带隐身问题，提出利用电磁超材料实现微小卫星隐身的方案，设计了两种不同类型的电磁超材料雷达吸波体。其中多层结构超宽带吸波体适用于微小卫星星体及太阳能电池阵背光面，工作频带覆盖S、C、X、Ku频段；透光型混合结构宽带吸波体适用于卫星电池阵受光面，隐身频带覆盖X、Ku频段，同时满足高透光型的要求。样件及整星的仿真和实验结果表明，利用电磁超材料构建的雷达吸波体可以实现超宽频带电磁波的有效吸收，达到卫星整星RCS缩减的目的，隐身性能良好。该材料不论是机械强度、密度、透光性、还是抗原子氧剥蚀能力都具备潜在的工程应用价值。