基于介電常數近零媒質的艦船隱身材料微波傳感器*

唐 艷, 毛雨薇, 周永金

(1.海裝上海局駐上海地區第七軍事代表室,上海 201108； 2.上海大學 通信與信息工程學院,上海 200444)

0 引 言

當前所有目標特性探測制導手段中,雷達探測制導是致使艦船被遠距離攻擊的主要威脅之一[1]。材料技術由于具備隱身效果優異、應用條件簡單、不受機體外形限制等特點,在艦船雷達波隱身設計中,隱身材料主要作為艦船外形隱身技術的補充手段進行運用[2,3]。為了能夠準確進行隱身吸波材料的設計,準確、有效地測量隱身吸波材料的介電常數對艦船雷達波隱身的研究起決定性作用[4]。

測量介電常數法從最原始的電容器測量方法發展到傳輸線法[5]、諧振腔法[6,7]等。其中,諧振法與其他方法相比，具有準確度高的優點而引起人們的廣泛關注。隨著超材料逐漸被人們發掘,以開口諧振環(split-ring resonators,SRR)[8]、互補開口諧振環(complementary split ring resonators,CSRR)[9]等平面諧振器為基礎設計的微波傳感器應用逐漸增多。Shen H T等人提出了一種基于改進型互補諧振環結構的微波傳感器,并增加一個壓控可變電容二極管來起到頻率調諧的作用,用于在多個頻率下獨立測量介質材料的介電常數和磁導率,測量誤差在7 %左右[10]。

近年來,近零媒質超材料作為電磁學領域的一個新興研究熱點,具有許多異于普通媒質的特殊性質。近零煤質超材料包括介電常數近零(epsilon-near-zero,ENZ)媒質、磁導率近零(magnetic conductivity-near-zero,MNZ)媒質、介電常數和磁導率近零(epsilon-and-magnetic conductivity-near->zero,EMNZ)媒質[11]。在近零媒質中傳播的電磁波的波長通常遠遠大于結構本身的尺寸,這使得磁場的相位在這種媒質中均勻分布,而且,在該媒質中折射率和群速度接近于零,波長和相速度接近于無窮大[12],各種能夠靈活操控電磁波的新型近零媒質相繼被提出[13]。Zhou Z H等人在雙輻射端的基片集成波導(substrate integrated waveguide,SIW)中,基于ENZ媒質設計了一種具有極低剖面、輻射模式可重構的天線[14]。

本文提出一種基于ENZ媒質的雷達波隱身材料微波傳感器。首先,基于SIW結構設計一種結構簡單的ENZ媒質,將隱身吸波材料放置在該媒質的一端或兩端,ENZ媒質對隱身吸波材料的變化敏感。仿真結果表明,當隱身吸波材料介電常數實部改變時,ENZ媒質的諧振頻率發生明顯變化,當隱身吸波材料介電常數虛部改變時,ENZ媒質的諧振強度發生明顯變化,因此可以從諧振頻率和諧振強度反演得到隱身吸波材料的復介電常數。

1 ENZ媒質

SIW利用金屬化通孔陣列在上、下面為金屬層的低損耗介質基片上實現傳統金屬波導的功能。與傳統的矩形金屬波導相比,SIW不僅具有同樣良好的傳播特性,還具有體積小、成本低、抗電磁干擾、易于與平面電路集成等特性,所以,由其構成的微波器件及其子系統具有高Q值、高功率等優點[15]。對于TE10傳輸模式,SIW的有效相對介電常數為

(1)

式中εr為介質基板的相對介電常數,c為真空中的光速,Weff為SIW的等效寬度由式(2)給出[16]

Weff=W-D2/0.95P

(2)

式中W為兩列金屬通孔的間距,D為金屬通孔的直徑,P為金屬通孔的間距。SIW的截止頻率為

(3)

則式(1)可以重寫為

(4)

可以看到,當工作在截止頻率f0以上時,SIW支持傳播波,εeff為正；當工作在截止頻率f0以下時,波沿傳播方向呈指數衰減,εeff為負。當工作在截止頻率f=f0時,在這種臨界情況下,SIW內部的場將整體振蕩,以零相位的方式沿著傳播方向前進,表現為ENZ媒質。

本文所提出的ENZ媒質的三維視圖和俯視圖分別如圖1(a)和(b)所示。介質基板的介電常數為2.65,損耗正切為0.002,厚度H為2 mm。介質基板上方矩形金屬貼片長度為L,寬度為W。兩列金屬通孔沿y軸周期性排列,沿x軸方向的另外兩邊則是開放的,用于電磁波的輻射。由式(3)計算得到工作頻率f0=8.1 GHz。該傳感器的具體參數為：W=11.4 mm,L=17.6 mm,P=1 mm,D=0.6 mm。

圖1 ENZ傳感器的結構

該結構由一個距矩形貼片中心偏移距離S的同軸探針進行饋電,通過調整偏移距離來匹配輸入阻抗,當S=3 mm時,得到最優的阻抗匹配。利用商業電磁仿真軟件CST模擬得到8.1 GHz時的電場分布,如圖2所示。可以看出,當工作在截止頻率f0以下時,ENZ媒質中的波長是無限的,電場沿SIW的傳播方向沒有變化。

圖2 ENZ媒質的仿真結果

2 基于ENZ媒質的隱身吸波材料測量

將隱身吸波材料放置在ENZ媒質的單端進行測量,如圖3所示。其中，隱身吸波材料的長度、寬度和高度分別為13.2,1,0.1 mm。在微波范圍內,設置常用隱身吸波材料介電常數實部ε′ 的變化范圍為4～9,虛部ε″ 的變化范圍為0～4.5。由于隱身吸波材料能夠顯著吸收輻射波,可以預期該結構的S參數對于隱身吸波材料介電常數的變化敏感。

圖3 單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器

當不同的隱身吸波材料被加載在ENZ媒質傳感器的單端時,其S參數如圖4(a)和(b)所示。如圖4(a)所示,可以看到，隨著介電常數的增大,諧振頻率逐漸減小；如圖4(b)所示,當介電常數實部固定,隨著虛部的增大,S11諧振強度減弱,幅值逐漸增大。

圖4 隨隱身吸波材料介電常數實部和虛部變化時的反射系數

在隱身吸波材料體積相同的情況下,將其分成均等的兩份,分別放置在ENZ媒質傳感器的兩端,該雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器如圖5所示。

圖5 雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器

當不同的隱身吸波材料被加載在ENZ媒質傳感器的雙端時,其S參數如圖6(a)和(b)所示。如圖6(a)所示,可以看到，隨著介電常數的增大,諧振頻率逐漸減小；如圖6(b)所示,當介電常數實部固定,隨著虛部的增大,S11諧振強度減弱,幅值逐漸增大。與單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器相比,由于相同體積的材料受到的輻射場強度增加,導致諧振頻率的偏移也增大。

圖6 隨隱身吸波材料介電常數實部和虛部變化時的反射系數

比較單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器和雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器的S參數曲線,可以看出，在相同的體積下,采用雙端加載測量要比單端加載測量得到的頻偏大,有利于提高測量的靈敏度,因此，采用雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器。復介電常數與諧振頻率、幅值之間的關系,如圖7所示的曲線,可以看出,諧振頻率隨著介電常數實部的增大而減小,諧振幅度隨著虛部的增大而增大。

圖7 雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器的 介電常數與諧振頻率、幅度的關系

本文在雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器分別加載不同艦載隱身吸波材料,包括Al/鈦碳化硅(Ti3SiC2)、MAS涂層、4 %CB/MAS和5 %MWCNTs/MAS,其介電常數實部分別為8.23,3.51,6.05和6.82,虛部分別為5.4,0.2,0.43和1,仿真得到如圖8所示的S參數曲線,可以看出，MAS涂層對應的諧振頻率最高,Al/Ti3SiC2對應的諧振頻率最低,并且Al/Ti3SiC2對應的諧振強度最弱,MAS涂層對應的諧振強度最強。

圖8 不同隱身吸波材料對應的反射系數

3 ENZ媒質傳感器的參數反演

以介電常數實部為例,根據不同介電常數實部對應的諧振頻點,利用MATLAB中的曲線擬合工具,可以得到隱身吸波材料介電常數實部與諧振頻率的擬合方程為

y=266.8×sin(x-3.14)+34.48(x-10)2+133

(5)

式中x為諧振頻點,y為反演的隱身吸波材料介電常數實部。

將圖8中從不同艦載隱身吸波材料的反射系數得到的頻率代入式(5),反演得到這些材料的介電常數實部,并與參考的介電常數實部進行對比。為了量化測量誤差,將其定義為

(6)

式中εs為參考介電常數實部,εf為反演介電常數實部。材料的介電常數實部測量值、諧振頻率、虛部、諧振幅值以及誤差如表1所示。結果表明,所得介電常數與參考值之間的誤差較小,測量誤差在2.26 %以內。

表1 不同隱身吸波材料的復介電常數反演

4 結 論

設計了一種單端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器和一種雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器來測量隱身吸波材料的復介電常數。雙端加載隱身吸波材料的ENZ媒質傳感器具有更高的靈敏度,通過在雙端加載不同常用艦載隱身吸波材料,獲得其諧振頻率和諧振強度,進一步反演得到復介電常數實部和虛部,仿真結果與實驗參考數據吻合良好,驗證了該傳感器的有效性和準確性。