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隐身技术，是指在一定遥感探测环境中减缩目标的可探测性，使其在一定的波长范围内难以被发现的技术，这使得军事装备向隐身化方向发展。隐身能力通常用雷达散射截面（RCS）来衡量，因此减缩RCS在低能见度目标的设计中具有重要意义。减缩目标RCS最常用的方法是具有低 RCS 的外形设计技术和吸波材料技术。外形设计通常需要受到许多条件的制约，所以吸波材料的研究已成为研究热点。使用吸波材料来减缩RCS的机制有吸波和散射两种，通过该技术来减缩RCS非常有效。由于通信技术的发展对材料结构的集成功能要求越来越高，单一机制的吸波材料不能满足各种复杂工况和极端环境下的使用要求。因此，探索和开发新型多机制吸波材料具有重要意义。天津工业大学姜茜副研究员团队围绕该方面进行了研究，在Top期刊《Materials & Design》上发表了题为“A waffle structured composite for RCS reduction via absorption and scattering mechanisms”的文章，该研究将典型的华夫格结构与纺织一体化成型技术相结合，开发出了一类兼具优异吸波与散射性能的复合材料，实现了有效减缩RCS的目的。
图1.(a)华夫结构针织物，(b)空气层双面提花结构，(c)石英纱和导电纱线，(d)华夫结构复合材料，(e)区域单元结构，(f)整体尺寸示意图 由于华夫格结构是由Ω形状的线圈组成（图1（e）），属于各向异性结构。为了探究其在不同方向的电磁特性，本研究对两种方向分别进行了测试。图2（a）和（b）显示了在4-18 GHz时WSC在纵向和横向方向上的RCS减缩的实验和模拟结果。低于-10dB的RCS减缩表明超过90%的电磁波被吸收或传输，意味着在该波段下华夫格结构具有良好的电磁吸收性能。由于模拟过程中所设置的线圈参数均匀一致，而实际样品结构参数具有轻微的不同，所以测量结果比模拟结果有些许的差别，但是总体来看，测量结果与模拟结果的趋势大致趋于一致。由于华夫格结构复合材料横向和纵向不同的RCS减缩效果，本研究将进一步分析其在不同方向上的RCS减缩机制。
图2.(a)横向和（b)纵向方向RCS减缩的实验和模拟结果，(c)纬编针织结构的线圈尺寸，(d)针织结构的孔隙分布 图3给出的垂直入射平面波下的三维模拟双站RCS图，可以直观地反应类华夫格复合材料在不同频率和不同方向的RCS减缩机制。在6.1GHz时，复合材料散射图案的主瓣位于法线方向，这意味着没有明显的扩散散射。在低频时，与金属板的强后向散射相比，主瓣显著减小，这表明复合材料具有相当大的吸收，吸收机制对RCS的降低有一定的影响。在15.2GHz下，垂直入射的电磁波会散射到许多波束瓣中，在法线方向上没有绝对突出的主波瓣，大部分电磁能量被散射到其他方向，这表明电磁波在给定频率下呈现了强扩散散射。
图3.金属板（a）（c）和华夫格结构复合材料（b）（d）分别在6.1 GHz及15.2 GHz处的三维RCS散射图 图4 (a) 、(b)和 (c)显示了不同电磁响应下的S11、S21和吸收率的测量结果。由于电场方向不同，线圈横列和线圈纵列在反射和透射频谱方面表现出不同的趋势。当电场沿线圈纵列传播时，从波导法得到的吸波率可以看出，在8.2GHz的吸收率为47.3%，远大于电场沿线圈横列的微波吸收率，且弓形法测试得出在该频点的RCS 减缩为-6.16dB，说明此方向是以吸收机制为主；当电场沿线圈横列传播时，在15.2GHz时波导法得到的吸收率为18.7%，而弓形法测试得出该频点的RCS reduction高达-30dB，说明此方向以散射机制为主。虽然两种测试方法在尺寸上有一定的差异，但也可以基本推断出，本结构在低频由吸收机制起主导作用，在高频以散射机制为主，与上述分析相印证。
图4.华夫格结构复合材料在横向和纵向的（a）反射，（b）透射，（c）吸收率 图5模拟了两个区域单元在不同方向下吸收峰处的电场、磁场和功率损耗的分布情况。电场与功率损耗的主要分布区域相互重叠，表明其主要损耗来自电损耗。图5（a）、（b）显示了当电场方向沿线圈纵列，频率点为6.1 GHz时两个区域下的能量分布，这有助于阐明相位差的形成原因。图5（c）、（d）显示了当电场方向沿线圈横列，频率点为15.2 GHz时两个区域下的能量分布。本研究中导电纱线是作为反射器的存在。当电磁波垂直入射时，能量分布随着导电纱线的分层现象而产生变化。与15.2GHz相比，在6.1GHz时的能量损耗较大。很大程度上是因为在低频时吸收机制占主导，而高频时含有散射机制占主导。从图中可以看出损耗最强的区域主要集中于线圈周围，而环氧树脂玻璃板处损耗较弱，损耗越强，吸收就越多，进一步说明吸收峰主要来源于导电纱线的电磁谐振吸收。
图5.区域0(a)(c)和区域1(b)(d)分别在6.1 GHz及15.2 GHz吸收峰处的电场强度分布、磁场强度分布和功率损耗分布 基于超材料周期性结构单元概念，本研究提出了一种新型雷达吸波材料，用于减缩雷达散射截面（RCS）。WSC通过相位抵消和吸收相结合，可以实现有效的镜面RCS减缩。通过测试和模拟得出该结构在线圈横列和纵列具有不同的RCS减缩效果，并结合波导法测试得出的电磁参数进行分析，发现当电场方向沿线圈纵列时，低频的RCS减缩主要是由材料的吸收机制决定的，当电场方向沿线圈横列时，高频的RCS减缩是由散射机制起主导作用。由于损耗是影响吸收性能的关键条件，从实验数据和模拟可以得出，与磁损耗相比较，WSC的吸收性能主要是由电损耗决定的。 本设计是通过纱线交织实现的，而不是使用功能填料，并可以做到一体成型、连续化大规模地生产。另外，本研究具有成本低、制造简单以及RCS减缩性能良好的特点，在雷达隐身领域的实际应用中具有巨大的潜力。 原文文献 Jiang Q, Duan J, Uddin A, Wu X, Yi H, Wu L. A waffle structured composite for RCS reduction via absorption and scattering mechanisms. Materials & Design.2023;226:111650. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.111650 原文链接：https://www./science/article/pii/S0264127523000655 整理：段金明 编辑：张鑫  |
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