軍英

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

毫米波探測(cè)具有波束窄、定位精確的特點(diǎn)，在毫米波探測(cè)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，對(duì)毫米波吸收技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。反射率是評(píng)價(jià)毫米波吸收材料性能的主要參數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)源、收發(fā)天線、信號(hào)接收機(jī)和信號(hào)分析處理儀器等組成[1]。目前，國(guó)內(nèi)許多單位建立了反射率測(cè)試系統(tǒng)，為了保證測(cè)試準(zhǔn)確性，不僅需要對(duì)各微波設(shè)備和器件進(jìn)行校準(zhǔn)，而且還需要進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。為了滿足對(duì)毫米波涂料反射率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行整體校準(zhǔn)和評(píng)價(jià)的需要，筆者研制了毫米波吸收反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板，其適用頻率為8 mm波段(26.5～40 GHz)，反射率標(biāo)稱值分別為-5 、-10 、-15 dB。該毫米波吸收反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板已經(jīng)用于專(zhuān)用測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)。

1 標(biāo)準(zhǔn)樣板制備

1.1 標(biāo)準(zhǔn)樣板配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考國(guó)內(nèi)外資料、吸收材料研制經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反射率標(biāo)準(zhǔn)樣板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以金屬良導(dǎo)體為基板，運(yùn)用阻抗匹配原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。結(jié)果表明，在僅采用單層吸波材料的情況下，由于介電常數(shù)很高，造成阻抗與自由空間相差很大，匹配性差,大部分電磁波在界面發(fā)生反射，無(wú)法進(jìn)入材料內(nèi)部。為解決這一問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一層低參數(shù)的阻抗匹配層材料，降低了單層吸波材料與自由空間的阻抗差異，從而降低了表面反射。經(jīng)測(cè)試具有阻抗匹配層的雙層材料具有較高的吸波性能，而且吸波曲線比較平緩，而僅有吸波涂層的單層材料吸波性能比較低，或雖然吸波性能高但吸收頻帶比較窄。阻抗匹配層的特征阻抗介于吸波涂層和自由空間之間，可以降低界面反射，促使電磁波進(jìn)入材料內(nèi)部并被吸收。綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)樣板的吸波性能、穩(wěn)定性和可加工性能的要求，采用高效磁損型和電損型復(fù)合吸收劑與增韌環(huán)氧樹(shù)脂為基體材料設(shè)計(jì)吸波涂層的配方，以增強(qiáng)涂層對(duì)電磁波的吸收損耗；采用低電磁參數(shù)的無(wú)機(jī)材料為填充劑，以增韌環(huán)氧樹(shù)脂為基體設(shè)計(jì)匹配涂層配方，以減弱因阻抗不匹配所造成的反射，從而使電磁波能夠充分進(jìn)入到吸波涂層而被吸收。

所確定的雙層結(jié)構(gòu)和配方雖然能夠達(dá)到較高的吸波性能，并且吸收曲線比較平緩，但要滿足指標(biāo)規(guī)定的各頻率不同的吸波性能量還需對(duì)雙層結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此研究了雙層結(jié)構(gòu)不同參數(shù)組合情況下吸波性能變化規(guī)律，吸波涂層厚度在0.2～1.0 mm，匹配涂層厚度在0.3～1.2 mm范圍內(nèi)共進(jìn)行了近百種參數(shù)組合設(shè)計(jì)，圖1和圖2是所設(shè)計(jì)的不同參數(shù)組合情況下反射率變化規(guī)律示例。經(jīng)過(guò)大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了各個(gè)反射率梯度標(biāo)準(zhǔn)樣板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

吸收層：0.4 mm； 1～7匹配層依次為0.4、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2 mm圖1 吸收層固定匹配層變化的樣板反射率曲線

吸收層：0.6 mm； 1～8匹配層依次為0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.1、1.2 mm圖2 吸收層固定匹配層變化的樣板反射率曲線

1.2 標(biāo)準(zhǔn)樣板制備工藝

制備工藝不僅要使標(biāo)準(zhǔn)樣板達(dá)到所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，而且要滿足標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性及特征量值定值準(zhǔn)確性要求，主要包括基板的選擇、加工與表面處理、吸波涂層和匹配涂層的制作。

(1)基板的處理

標(biāo)準(zhǔn)樣板應(yīng)以良導(dǎo)體金屬平面作為基板。通過(guò)對(duì)銅、純鋁、鋁合金、不銹鋼等材料的理化性能指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，確定采用純鋁板作為標(biāo)準(zhǔn)樣板基板。由于要在基板上制備一定厚度的吸收材料涂層，涂料加熱固化過(guò)程中可能引起樣板變形，因此研究了不同厚度純鋁板上制備相同厚度吸收材料涂層加熱固化后的變形情況。經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)確定采用厚度為5 mm的鋁板作為標(biāo)準(zhǔn)樣板基板，經(jīng)精密機(jī)械加工，達(dá)到較高的平行度、平面度等級(jí)之后，進(jìn)行噴砂處理，以提高涂層附著力，增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性。

(2)功能涂層的制備

采用加壓式噴涂工藝進(jìn)行吸波涂層和匹配涂層的制備。合理調(diào)節(jié)涂料黏度，以利于高密度涂料的均勻霧化和噴涂，通過(guò)試驗(yàn)確定噴涂工藝參數(shù)。對(duì)完全固化的涂層進(jìn)行精密磨削加工，使其達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求。進(jìn)行防護(hù)處理，以避免空氣、潮氣對(duì)界面氧化、侵蝕。

2 標(biāo)準(zhǔn)樣板均勻性

由于是對(duì)每塊標(biāo)準(zhǔn)樣板分別定值，因此不需要抽樣進(jìn)行均勻性檢驗(yàn)。在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行定值測(cè)試和使用時(shí)，所表現(xiàn)的是整塊樣板功能表面的特性，因此也不存在每塊標(biāo)準(zhǔn)樣板上不同區(qū)域之間性能是否均勻的問(wèn)題。

3 標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性檢驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)使其特性量值保持在規(guī)定范圍內(nèi)的能力，通常是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀察其特性量值變化規(guī)律來(lái)確定[2]。為了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性，筆者選擇了多件有代表性的標(biāo)準(zhǔn)樣板(分別攜帶-5、-10、-15 dB吸波性能值)，對(duì)其反射率隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行考核。一年內(nèi)每隔2個(gè)月進(jìn)行一次測(cè)試，每次至少測(cè)量3個(gè)觀測(cè)值，取其平均值作為該次測(cè)試值，采用平均值一致性檢驗(yàn)法評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)樣板的穩(wěn)定性。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣板候選物一年內(nèi)6個(gè)周期的穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)。表1列出了某塊標(biāo)準(zhǔn)樣板候選物6個(gè)不同時(shí)間的反射率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由表1可知，t計(jì)算值均小于t0.05(5)，因此研制的標(biāo)準(zhǔn)樣板性能穩(wěn)定。

表1 某標(biāo)準(zhǔn)樣板穩(wěn)定性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：當(dāng)α=0.05,n=6時(shí)，t0.05(5)=2.57。

4 標(biāo)準(zhǔn)樣板的定值

定值測(cè)試按GJB 2038-1994[3]中的雷達(dá)吸波材料(RAM)反射率遠(yuǎn)場(chǎng)RCS測(cè)試方法進(jìn)行。采用盡量相同的試驗(yàn)條件(包括溫度、濕度、發(fā)射功率、背景電平、極化狀態(tài)等)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)GB/T 8170-1987[4]的規(guī)定對(duì)定值數(shù)據(jù)進(jìn)行修約，并按JJF 1006-1994[5]的規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，確定出標(biāo)準(zhǔn)樣板的標(biāo)準(zhǔn)值。

標(biāo)準(zhǔn)樣板的不確定度主要包括測(cè)試系統(tǒng)的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)樣板的各類(lèi)試驗(yàn)不確定度。其中測(cè)試系統(tǒng)不確定度按B類(lèi)方法評(píng)定，包括：發(fā)射功率、背景電平、頻率、等的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的影響。標(biāo)準(zhǔn)樣板的各類(lèi)試驗(yàn)不確定度按A類(lèi)評(píng)定，包括(1)同一條件下多次重復(fù)測(cè)試的不確定度u1；(2)均勻度不確定度分量u2；(3)時(shí)間穩(wěn)定性不確定度分量u3；(4)溫度穩(wěn)定性不確定度分量u4；(5)濕度穩(wěn)定性不確定度分量u5。

將各類(lèi)不確定度分量進(jìn)行合成，并取95%置信度，得到合成擴(kuò)展不確定度[6]。

某標(biāo)準(zhǔn)樣板的標(biāo)準(zhǔn)值、各不確定度分量及合成不確定度計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 某件標(biāo)準(zhǔn)樣板標(biāo)準(zhǔn)值、不確定度

5 結(jié)語(yǔ)

筆者研制的毫米波段吸收材料標(biāo)準(zhǔn)樣板經(jīng)有關(guān)單位試用，認(rèn)為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，穩(wěn)定性好，反射率曲線平坦，并且使用方便。該標(biāo)準(zhǔn)樣板已用于按照“雷達(dá)吸波材料反射率弓形測(cè)試法”和“雷達(dá)吸波材料反射率空間平移法”反射率測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)和日常技術(shù)狀態(tài)核查，對(duì)于保證此類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試準(zhǔn)確度具有使用價(jià)值。

[1] 克拉特 E F，謝弗 J F，塔利 M T，等.雷達(dá)散射截面—預(yù)估、測(cè)量和減縮[M].沅穎錚，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1987:14-37.

[2] 全浩.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990:31-43.

[3] GJB 2038-94 雷達(dá)吸波材料測(cè)量方法[S].

[4] GB/T 8170-1987 數(shù)值修約規(guī)則[S].

[5] JJF 1006-1994 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范[S].

[6] JJF 1059-1999 測(cè)量不確定度評(píng)定與表述[S].