Analysis and test of electromagnetic shielding effectiveness of optical window
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摘要: 为分析不同基底材料光学窗口电磁屏蔽性能,以Kohin的等效薄膜模型为基础,考虑电磁波在材料2个界面中的多次反射和折射,得到电磁波界面反射系数,利用matlab编写程序计算相同网栅、不同厚度、不同材料的屏蔽效率曲线,分析了厚度和材料对光窗屏蔽效率的影响。为验证仿真数据的准确性,在ZnS基底上制作了周期为500 μm、线宽为15 μm,电阻≤20 Ω的测试样片,测试其在8 GHz~18 GHz频段的电磁屏蔽效能。通过对比可看出:测试与理论计算数据较符合,误差约为2 dB~4 dB,计算数据可以预估光学窗口电磁屏蔽性能,为后续的设计工作提供参考。Abstract: In order to analyze the electromagnetic shielding performance of optical windows of different substrate materials, based on Kohin's equivalent thin film model, the electromagnetic wave interface reflection coefficient was obtained considering the multiple reflections and refractions of electromagnetic waves between two interfaces in material. The matlab was used to calculate the shielding efficiency curves of the same mesh, different thicknesses and different materials, and the influence of thickness and material on the shielding efficiency of the light windows was analyzed. To verify the correctness of the simulation data, the metallic mesh with line width of 15 um, period of 500 um and resistance of ≤20 Ω was fabricated on ZnS, and the shielding effectiveness at 8 GHz~18 GHz was tested. Comparison results show that the testing results are in good agreement with the theoretical calculation data, and the error of the curves is about 2 dB to 4 dB. The result can estimate the shielding effectiveness of optical windows with metallic mesh coating, which canprovide references for the shielding effectiveness of optical window design subsequently.
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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。
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:
$$\begin{aligned} &T =\\ &\frac{{8{n_0}{n_g}}}{{[n_{\rm e}^4 \!+\! n_{\rm e}^2(n_0^2 \!+ \!n_g^2 \!+ \!4{n_0}{n_g})] \!\!-\!\! [n_{\rm e}^4\!\! - \!\!n_0^2(n_0^2 \!+\! n_g^2)\! +\! n_0^2n_g^2]\cos \dfrac{{4 {\text{π}} {n_{\rm e}}{d_{\rm e}}}}{\lambda }}} \end{aligned} $$ (1-1) 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:
$$ T({{n}_{0}},{{n}_{g}})=\frac{4{{n}_{0}}{{n}_{g}}[{{({}^{{{R}_{0}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;)}^{2}}+{{({}^{X}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;)}^{2}}]}{{{[1+({{n}_{0}}+{{n}_{g}}){}^{{{R}_{0}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;]}^{2}}+({{n}_{0}}+{{n}_{g}}){{({}^{X}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;)}^{2}}} $$ (1-2) 令T=
$ T({n_0},{n_g})$ ,得到$$ {n_{\rm e}} = \sqrt {\frac{1}{2}[(n_0^2 + n_g^2) + \sqrt {{{(n_0^2 + n_g^2)}^2} - 4(n_0^2n_g^2 - A)} ]} $$ (1-3) $$ A=\frac{1+2({{n}_{0}}+{{n}_{g}})({}^{{{R}_{0}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;)}{[{{({}^{X}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;)}^{2}}+{{({}^{{{R}_{0}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;)}^{2}}]\left(\dfrac{2 {\text{π}} {{d}_{e}}}{\lambda }\right)} $$ (1-4) 式中
${}^{{{R}_{0}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;$ 和${}^{X}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;$ 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${}^{{{R}_{0}}}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;$ 和${}^{X}\!\!\diagup\!\!{}_{{{ {\textit{Z}}}_{0}}}\;$ 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
$${r_{s1}} = \frac{{{n_1}\cos ({\theta _1}) - {n_2}\cos ({\theta _2})}}{{{n_1}\cos ({\theta _1}) + {n_2}\cos ({\theta _2})}}$$ (1-5) $${r_{s2}} = \frac{{{n_2}\cos ({\theta _2}) - {n_3}\cos ({\theta _3})}}{{{n_2}\cos ({\theta _2}) + {n_3}\cos ({\theta _3})}}$$ (1-6) $$t{s_{1 - 2}} = \frac{{2{n_1}\cos ({\theta _1})}}{{{n_1}\cos ({\theta _1}) + {n_2}\cos ({\theta _2})}}$$ (1-7) $$t{s_{2 - 1}} = \frac{{2{n_2}\cos ({\theta _2})}}{{{n_1}\cos ({\theta _1}) + {n_2}\cos ({\theta _2})}}$$ (1-8) 式中
${r_{s1}}$ 、${r_{s2}}$ 、$t{s_{1 - 2}}$ 和$t{s_{2 - 1}}$ 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
$${\delta _2} = \frac{{4 \rm { \mathit{{\text{π}}}} }}{\lambda }{n_2}{d_2}\cos ({\theta _2})$$ (1-9) 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:
$${r_{s21}} = \frac{{r{s_2} + (t{s_{1 - 2}} \times t{s_{2 - 1}} \times r{s_2} \times {{\rm e}^{\rm i\theta 2}})}}{{1 + r{s_1} \times r{s_2} \times {{\rm e}^{\rm i\theta 2}}}}$$ (1-10) 屏蔽效率S为
$$S = 10\times\log (1 - {r_{s21}} \times {r^ * }_{s21})$$ (1-11) 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。
规格/mm 网栅参数/周期×线宽·μm−1 电阻/Ω 基底 Φ200 500×15 ≤20 ZnS 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。
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。
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表 1 样片参数
Table 1 Parameters of sample
规格/mm 网栅参数/周期×线宽·μm−1 电阻/Ω 基底 Φ200 500×15 ≤20 ZnS -
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