工程科学学报，第40卷，第10期：1259-1266,2018年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.10:1259-1266,October 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.014;http://journals.ustb.edu.cn AZ0透明导电膜电磁散射光电参数影响试验 刘战合)四，王晓璐)，姬金祖)，王菁)，黄沛霖)，周鹏) 1)郑州航空工业管理学院航空工程学院，郑州4500462)北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191 3)郑州航空工业管理学院电子通信工程学院，郑州450046 区通信作者，E-mail:wpulzh@163.com 摘要采用常温镀膜技术在浮法玻璃表面沉积了不同方块电阻的氧化锌铝(A-doped zinc oxide,AZ0)透明导电膜，建立了 透明导电膜的雷达散射截面(radar cross section,RCS)测试和研究方法；提出了基于雷达散射截面均值的相对反射率概念，结 合方块电阻和可见光透过率综合分析了氧化锌铝透明导电膜的电磁散射特性.在微波暗室对不同方块电阻的氧化锌铝透明 导电膜进行了测试，得到了10GHz和l5GHz人射频率，水平(horizontal horizontal.HH)、垂直(vertical vertical,VV)极化的雷达 散射截面曲线：从飞行器座舱隐身角度出发，研究了前向20°和60°角域雷达散射截面曲线分布特点，并分析了雷达散射截面 均值影响特性：基于氧化锌铝透明导电膜雷达散射截面测试结果，研究了方块电阻对雷达散射截面相对反射率和可见光透过 率的影响规律.研究表明，方块电阻较低时雷达散射截面曲线分布特性与对应金属相似，方块电阻增大时，前向两个角域内的 RCS均值减小，隐身性能减弱，雷达散射截面相对反射率降低而可见光透过率增加，相对反射率降低速率大小与方块电阻相 关，合适的方块电阻可同时满足隐身及采光需求.暗室测试结果表明，在满足座舱可见光透过率前提下，氧化锌铝透明导电膜 方块电阻为18-45D时，具有外形隐身作用，方块电阻18D为最优，对应RCS相对反射率Re2和Re分别为84%和0.73dB. 关键词氧化锌铝；薄膜；电磁散射；隐身；雷达散射截面 分类号V218:TN011;TN305 Influence of photoelectric parameters for AZO transparent conductive films on electro- magnetic scattering characteristics LIU Zhan--he,WANGXiao--lm》,JⅡJim-zu》,WANGJing',HUANG Pei--lim2',ZHOU Peng》 1)School of Aeronautic Engineering,Zhenghou University of Aeronautics,Zhengzhou 450046,China 2)School of Aeronautic Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China 3)School of Electronics and Communication Engineering,Zhengzhou University of Aeronautics,Zhengzhou 450046,China Corresponding author,E-mail:nwpulzh@163.com ABSTRACT Al-doped zinc oxide (AZO)transparent conductive films with different sheet resistances were deposited on the surface of float glass by a room temperature coating technique.The procedure for radar cross section RCS)measurements for AZO transparent conductive films was established,and the definition of the relative reflectivity based on the RCS mean value was proposed.The electro- magnetic scattering characteristics for the AZO transparent conductive films were analyzed by way of the sheet resistance and visible light transmittance.The AZO films with different sheet resistances were tested in the microwave darkroom and RCS curves for the films were obtained with incident frequencies of 10GHz and 15 GHz and in the HH and VV polarizations modes.The characteristics of the RCS curve distribution in angular domains of 20 and 60 in the nose direction and the characteristics of RCS mean values were ana- lyzed to study the stealth performance for aircraft cockpit glasses.The influence of the sheet resistance on RCS relative reflectivity and 收稿日期：2017-11-03 基金项目：国家重点基础研究计划(973计划)资助项目(61320)：航空科学基金资助项目(2015ZD55005,20162A55001):河南省科技攻关计划 资助项目(182102210444,172102210530)：郑州航空工业管理学院青年骨干教师资助计划资助项目(2017-12)
工程科学学报,第 40 卷,第 10 期:1259鄄鄄1266,2018 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 40, No. 10: 1259鄄鄄1266, October 2018 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2018. 10. 014; http: / / journals. ustb. edu. cn AZO 透明导电膜电磁散射光电参数影响试验 刘战合1) 苣 , 王晓璐1) , 姬金祖2) , 王 菁1) , 黄沛霖2) , 周 鹏3) 1)郑州航空工业管理学院航空工程学院, 郑州 450046 2) 北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京 100191 3)郑州航空工业管理学院电子通信工程学院, 郑州 450046 苣通信作者, E鄄mail: nwpulzh@ 163. com 摘 要 采用常温镀膜技术在浮法玻璃表面沉积了不同方块电阻的氧化锌铝(Al鄄doped zinc oxide,AZO)透明导电膜,建立了 透明导电膜的雷达散射截面(radar cross section,RCS)测试和研究方法;提出了基于雷达散射截面均值的相对反射率概念,结 合方块电阻和可见光透过率综合分析了氧化锌铝透明导电膜的电磁散射特性. 在微波暗室对不同方块电阻的氧化锌铝透明 导电膜进行了测试,得到了 10 GHz 和 15 GHz 入射频率,水平(horizontal horizontal,HH)、垂直(vertical vertical,VV)极化的雷达 散射截面曲线;从飞行器座舱隐身角度出发,研究了前向 20毅和 60毅角域雷达散射截面曲线分布特点,并分析了雷达散射截面 均值影响特性;基于氧化锌铝透明导电膜雷达散射截面测试结果,研究了方块电阻对雷达散射截面相对反射率和可见光透过 率的影响规律. 研究表明,方块电阻较低时雷达散射截面曲线分布特性与对应金属相似,方块电阻增大时,前向两个角域内的 RCS 均值减小,隐身性能减弱,雷达散射截面相对反射率降低而可见光透过率增加,相对反射率降低速率大小与方块电阻相 关,合适的方块电阻可同时满足隐身及采光需求. 暗室测试结果表明,在满足座舱可见光透过率前提下,氧化锌铝透明导电膜 方块电阻为18 ~ 45 赘 时,具有外形隐身作用,方块电阻18 赘 为最优,对应 RCS 相对反射率 Rem2和 RedB分别为84% 和0郾 73 dB. 关键词 氧化锌铝; 薄膜; 电磁散射; 隐身; 雷达散射截面 分类号 V218; TN011; TN305 收稿日期: 2017鄄鄄11鄄鄄03 基金项目: 国家重点基础研究计划(973 计划)资助项目(61320);航空科学基金资助项目(2015ZD55005,2016ZA55001);河南省科技攻关计划 资助项目(182102210444,172102210530);郑州航空工业管理学院青年骨干教师资助计划资助项目(2017鄄鄄12) Influence of photoelectric parameters for AZO transparent conductive films on electro鄄 magnetic scattering characteristics LIU Zhan鄄he 1) 苣 , WANG Xiao鄄lu 1) , JI Jin鄄zu 2) , WANG Jing 1) , HUANG Pei鄄lin 2) , ZHOU Peng 3) 1) School of Aeronautic Engineering, Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China 2) School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China 3) School of Electronics and Communication Engineering, Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China 苣Corresponding author, E鄄mail:nwpulzh@ 163. com ABSTRACT Al鄄doped zinc oxide (AZO) transparent conductive films with different sheet resistances were deposited on the surface of float glass by a room temperature coating technique. The procedure for radar cross section (RCS) measurements for AZO transparent conductive films was established, and the definition of the relative reflectivity based on the RCS mean value was proposed. The electro鄄 magnetic scattering characteristics for the AZO transparent conductive films were analyzed by way of the sheet resistance and visible light transmittance. The AZO films with different sheet resistances were tested in the microwave darkroom and RCS curves for the films were obtained with incident frequencies of 10 GHz and 15 GHz and in the HH and VV polarizations modes. The characteristics of the RCS curve distribution in angular domains of 20毅 and 60毅 in the nose direction and the characteristics of RCS mean values were ana鄄 lyzed to study the stealth performance for aircraft cockpit glasses. The influence of the sheet resistance on RCS relative reflectivity and
·1260· 工程科学学报，第40卷，第10期 visible light transmittance was studied based on RCS test results from the AZO transparent conductive films.When the sheet resistance was small,the distribution of the RCS curves was similar to that of their corresponding metal.When the sheet resistance increased,the RCS mean values in the angular domains of 20 and 60 in the nose direction decreased and the stealth performance was reduced.In addition,the RCS relative reflectivity decreased and the visible light transmittance increased.The rate of the decrease in the relative reflectivity was related to the sheet resistance.It was determined that an appropriate sheet resistance can meet the needs of stealth and lighting simultaneously.The results achieved from darkroom test also proved that upon meeting the requirement of visible light transmit- tance for aircraft cockpit glasses,the AZO transparent conductive film could provide shaped stealth performance when the value of sheet resistance was between 18 to 450.When the sheet resistance was 18n,the best performance of AZO appears with a relative reflec- tivity,Re of 84%and Re of 0.73 dB. KEY WORDS Al-doped zinc oxide (AZO);film;electromagnetic scattering;stealth;radar cross section (RCS) 隐身技术是提高武器装备平台的重要手段之 对电磁散射的影响特点，结合实际应用和物理机理， 一，对飞行器来说，其前向主要有三大散射源：座舱、 提出基于雷达散射截面的相对反射率概念，讨论其 雷达舱和进气道1-3].雷达舱可结合频率选择表面 与方块电阻和透光率之间的影响规律，研究表明在 技术实现隐身，进气道采用$弯型设计及涂敷吸波 一定的方块电阻R。(10~502)内可以同时满足较 材料降低雷达反射信号[4-8)].而对座舱隐身，需要同 好的相对反射率和可见光透过率，从而满足飞行器 时满足可见光透过率和寿命要求，座舱属于腔体类 座舱玻璃镀膜需求 散射，抑制其信号的一个有效途径是将腔体类散射 1研究方法 变为常规的表面散射，结合座舱外形隐身设计，综合 控制电磁波散射4,9-2].现代隐身飞机如F-22、J- 1.1氧化锌铝透明导电膜及其隐身原理 20等战斗机及隐身化改进飞机，在座舱玻璃表面沉 采用非平衡磁控溅射镀膜设备[5-7)，以常温镀 积一层或多层透明导电膜，以期综合控制可见光透 膜技术[16)在浮法玻璃非锡面沉积了不同方块电阻 过率和电磁散射9,13-14 的氧化锌铝透明导电薄膜7-2]，以研究方块电阻、 用于座舱的透明导电薄膜可以包含一层或多层 透光率和隐身性能之间的关系.浮法玻璃基底厚4 金属膜系（如TiO2/Au/TiO2)和透明导电氧化物 mm,透光率约为89.7%，几何尺寸与磁控溅射镀膜 (transparent conductive oxides,透明导电氧化物)两 设备相关，结合镀膜玻璃光电参数性能要求，选择 种[4].金属膜系一般以金属为功能层，实现对电 10cm×10cm,以方块电阻递增为编号顺序：No.1~ 磁波的散射和屏蔽，但大多导电率高的金属如Au、 No.10,方块电阻Ra和透光率T见表1.为对比研 Ag等，实际应用中极易氧化，尤其是湿盐环境，此 究其与金属板效果差异，以几何尺寸大小相同的金 外，金属膜具有较低可见光透过率，使其受限于座舱 属铝板（曲线中以Metal标识）作为基准进行研究. 玻璃应用.透明导电氧化物一般由金属氧化物通过 表1氧化锌铝透明导电薄膜光电参数 适当掺杂而成，如氧化锌铝(Al-doped zinc oxide, Table 1 Parameters for the AZO transparent conductive films AZ0)、氧化铟锡(indium tin oxides,TO)、氧化锌镓 编号No Ro/n T/% (Ga-doped zinc oxide,GZ0)等[3-s),具有耐腐蚀和 1 7.7 9 耐氧化的优秀性能，透明导电氧化物具有较好的透 3 白 73 光率，一些薄膜如氧化铟锡、氧化锌铝等均具有优秀 3 尔 78 的导电率.基于透明导电氧化物的透明导电膜可以 4 20 78 由单层金属氧化物或多层金属氧化物氨化物膜系的 32 79 基础上结合其他介质层实现，具有较高的化学稳定 6 45 80 性，寿命长[]，尤其适用于飞行器在极端条件下的 > 91 82 有效工作 8 129 84 针对具有更低工艺成本的氧化锌铝薄膜（与氧 9 156 6 化铟锡相比)，在暗室中测试了具有不同光电参数 10 182 85 试件的雷达散射截面(radar cross section,RCS)曲 线，研究了雷达散射截面分布规律，分析了方块电阻 对座舱隐身，一般可以通过提高座舱玻璃表面
工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 visible light transmittance was studied based on RCS test results from the AZO transparent conductive films. When the sheet resistance was small, the distribution of the RCS curves was similar to that of their corresponding metal. When the sheet resistance increased, the RCS mean values in the angular domains of 20毅 and 60毅 in the nose direction decreased and the stealth performance was reduced. In addition, the RCS relative reflectivity decreased and the visible light transmittance increased. The rate of the decrease in the relative reflectivity was related to the sheet resistance. It was determined that an appropriate sheet resistance can meet the needs of stealth and lighting simultaneously. The results achieved from darkroom test also proved that upon meeting the requirement of visible light transmit鄄 tance for aircraft cockpit glasses, the AZO transparent conductive film could provide shaped stealth performance when the value of sheet resistance was between 18 赘 to 45 赘. When the sheet resistance was 18 赘, the best performance of AZO appears with a relative reflec鄄 tivity, Rem2 of 84% and RedB of 0郾 73 dB. KEY WORDS Al鄄doped zinc oxide (AZO); film; electromagnetic scattering; stealth; radar cross section (RCS) 隐身技术是提高武器装备平台的重要手段之 一,对飞行器来说,其前向主要有三大散射源:座舱、 雷达舱和进气道[1鄄鄄3] . 雷达舱可结合频率选择表面 技术实现隐身,进气道采用 S 弯型设计及涂敷吸波 材料降低雷达反射信号[4鄄鄄8] . 而对座舱隐身,需要同 时满足可见光透过率和寿命要求,座舱属于腔体类 散射,抑制其信号的一个有效途径是将腔体类散射 变为常规的表面散射,结合座舱外形隐身设计,综合 控制电磁波散射[4,9鄄鄄12] . 现代隐身飞机如 F鄄鄄 22、J鄄鄄 20 等战斗机及隐身化改进飞机,在座舱玻璃表面沉 积一层或多层透明导电膜,以期综合控制可见光透 过率和电磁散射[9,13鄄鄄14] . 用于座舱的透明导电薄膜可以包含一层或多层 金属膜系 ( 如 TiO2 / Au / TiO2 ) 和透明导电氧化物 (transparent conductive oxides,透明导电氧化物) 两 种[14鄄鄄15] . 金属膜系一般以金属为功能层,实现对电 磁波的散射和屏蔽,但大多导电率高的金属如 Au、 Ag 等,实际应用中极易氧化,尤其是湿盐环境,此 外,金属膜具有较低可见光透过率,使其受限于座舱 玻璃应用. 透明导电氧化物一般由金属氧化物通过 适当掺杂而成,如氧化锌铝( Al鄄doped zinc oxide, AZO)、氧化铟锡( indium tin oxides,ITO)、氧化锌镓 (Ga鄄doped zinc oxide,GZO) 等[13鄄鄄15] ,具有耐腐蚀和 耐氧化的优秀性能,透明导电氧化物具有较好的透 光率,一些薄膜如氧化铟锡、氧化锌铝等均具有优秀 的导电率. 基于透明导电氧化物的透明导电膜可以 由单层金属氧化物或多层金属氧化物氮化物膜系的 基础上结合其他介质层实现,具有较高的化学稳定 性,寿命长[15] ,尤其适用于飞行器在极端条件下的 有效工作. 针对具有更低工艺成本的氧化锌铝薄膜(与氧 化铟锡相比),在暗室中测试了具有不同光电参数 试件的雷达散射截面( radar cross section, RCS) 曲 线,研究了雷达散射截面分布规律,分析了方块电阻 对电磁散射的影响特点,结合实际应用和物理机理, 提出基于雷达散射截面的相对反射率概念,讨论其 与方块电阻和透光率之间的影响规律,研究表明在 一定的方块电阻 R阴(10 ~ 50 赘)内可以同时满足较 好的相对反射率和可见光透过率,从而满足飞行器 座舱玻璃镀膜需求. 1 研究方法 1郾 1 氧化锌铝透明导电膜及其隐身原理 采用非平衡磁控溅射镀膜设备[15鄄鄄17] ,以常温镀 膜技术[16]在浮法玻璃非锡面沉积了不同方块电阻 的氧化锌铝透明导电薄膜[17鄄鄄22] ,以研究方块电阻、 透光率和隐身性能之间的关系. 浮法玻璃基底厚 4 mm,透光率约为 89郾 7% ,几何尺寸与磁控溅射镀膜 设备相关,结合镀膜玻璃光电参数性能要求,选择 10 cm 伊 10 cm,以方块电阻递增为编号顺序:No郾 1 ~ No郾 10,方块电阻 R阴 和透光率 T 见表 1. 为对比研 究其与金属板效果差异,以几何尺寸大小相同的金 属铝板(曲线中以 Metal 标识)作为基准进行研究. 表 1 氧化锌铝透明导电薄膜光电参数 Table 1 Parameters for the AZO transparent conductive films 编号 No. R阴 / 赘 T / % 1 7郾 7 69 2 12 73 3 18 78 4 20 78 5 32 79 6 45 80 7 91 82 8 129 84 9 156 86 10 182 85 对座舱隐身,一般可以通过提高座舱玻璃表面 ·1260·
刘战合等：AZ0透明导电膜电磁散射光电参数影响试验 ·1261· 的导电率来实现.金属膜具有与金属材料接近的属 性，由自由电子实现其高的导电性，是实现座舱电磁 隐身的有效途径：透明导电氧化物导电机理有两种 方式：空穴或自由电子两种，相应的将透明导电氧化 镀膜玻璃 物分为P型和N型掺杂.金属薄膜的散射特性与金 属材料类似，但对透明导电氧化物，由于产生电子和 空穴的本质原因是掺杂，会引起其电磁散射特性发 生变化，氧化锌铝和氧化钢锡本质上都属于N型掺 图2氧化锌铝透明导电膜暗室测试图 杂，其电磁散射性能缺乏系统性深入分析，本文将着 Fig.2 Image of darkroom test for AZ0 transparent conductive films 重研究氧化锌铝薄膜的电磁散射特性. 座舱玻璃表面涂敷透明导电膜的主要目的是实 电磁散射特性，并结合可见光透光率等其他要素综 现与金属化类似的效果，从而可以采用外形隐身技 合分析应用于座舱玻璃的氧化锌铝薄膜设计.进一 术，并将腔体散射变为表面散射.座舱玻璃表面涂 步地，为分析氧化锌铝透明导电膜对雷达散射截面 敷有透明导电膜时，当电磁波照射到飞机座舱时，可 的影响规律，提出了雷达散射截面相对反射率概念， 通过座舱外部形状改变电磁波散射方向，从而削弱 并以此讨论了氧化锌铝透明导电膜的雷达散射截面 返回雷达的电磁波能量.而对未涂敷透明导电膜的 相对反射率影响规律，并根据实际需求，研究氧化锌 座舱，电磁波入射至座舱内部后，形成原路返回的较 铝玻璃薄膜参数的取值范围. 强的腔体散射，降低飞机生存力.因此，座舱沉积透 2基于雷达散射截面均值的相对反射率 明导电膜可以有效改变入射电磁波的方向，利于外 形隐身措施实施，可将较大的腔体散射降低. 2.1雷达散射截面均值 1.2试验及分析方法 实际雷达散射截面计算和实验分析中，电磁散 如前所述，飞行器座舱对前向雷达散射截面有 射对人射角（以飞行器而言为方位角）比较敏感，研 重要影响.重点研究氧化锌铝镀膜玻璃的电磁散射 究者一般关注的是一定角域内的雷达散射截面均 特性，对雷达散射截面来说，一般重点关注垂直其表 值.通常情况下，以均值来量化其数值大小，均值可 面的一定角域，该角域也是影响较为重要的区域 以分为算术均值和几何均值，假设关注角域为[a, 针对以上情况，在暗室中试验件测试方案布置如图 b],a和b分别为起始和结束入射角，N为[a,b]角 1所示，薄膜一面迎向电磁波入射方向. 域上雷达散射截面采样点数目，此时角域[a,b]上 ,-氧化锌铝镀膜玻璃试件 的雷达散射截面算术均值可以表示为： 180° N (1) 测试转台 其中，2，：为第i个方位角上的雷达散射截面(m2), 而其几何均值可表示为： 图1暗室测试示意图 Fig.1 Schematic of the darkroom test (2) 一般的，测试或计算结果单位为dBsm,记第i 实际测试过程中，试件随测试转台旋转，设定测 个方位角上的雷达散射截面为σm,i,较小时可能 试范围0°~180°，为研究方便，定义前向20°角域为 会小于0dBsm,主要讨论其算术均值： 80°~100°，前向60°角域为60°~120°范围，入射电 磁波频率为10GHz和15GHz,暗室测试如图2 ∑10lgo: 所示. N 对氧化锌铝透明导电膜试件，首先将测试后的 原始数据进行处理，简单分析其散射特性分布曲线 (3) i=1 特性，研究曲线分布与方块电阻之间的初步影响关 2.2雷达散射截面相对反射率 系：进而以对应金属板为基准，从重点研究角域的雷 对可见光，反射率和入射率一般定义在某一确 达散射面均值出发，研究了氧化锌铝透明导电膜的 定的单一角度上，考虑到雷达散射特性的特殊性，当
刘战合等: AZO 透明导电膜电磁散射光电参数影响试验 的导电率来实现. 金属膜具有与金属材料接近的属 性,由自由电子实现其高的导电性,是实现座舱电磁 隐身的有效途径;透明导电氧化物导电机理有两种 方式:空穴或自由电子两种,相应的将透明导电氧化 物分为 P 型和 N 型掺杂. 金属薄膜的散射特性与金 属材料类似,但对透明导电氧化物,由于产生电子和 空穴的本质原因是掺杂,会引起其电磁散射特性发 生变化,氧化锌铝和氧化铟锡本质上都属于 N 型掺 杂,其电磁散射性能缺乏系统性深入分析,本文将着 重研究氧化锌铝薄膜的电磁散射特性. 座舱玻璃表面涂敷透明导电膜的主要目的是实 现与金属化类似的效果,从而可以采用外形隐身技 术,并将腔体散射变为表面散射. 座舱玻璃表面涂 敷有透明导电膜时,当电磁波照射到飞机座舱时,可 通过座舱外部形状改变电磁波散射方向,从而削弱 返回雷达的电磁波能量. 而对未涂敷透明导电膜的 座舱,电磁波入射至座舱内部后,形成原路返回的较 强的腔体散射,降低飞机生存力. 因此,座舱沉积透 明导电膜可以有效改变入射电磁波的方向,利于外 形隐身措施实施,可将较大的腔体散射降低. 1郾 2 试验及分析方法 如前所述,飞行器座舱对前向雷达散射截面有 重要影响. 重点研究氧化锌铝镀膜玻璃的电磁散射 特性,对雷达散射截面来说,一般重点关注垂直其表 面的一定角域,该角域也是影响较为重要的区域. 针对以上情况,在暗室中试验件测试方案布置如图 1 所示,薄膜一面迎向电磁波入射方向. 图 1 暗室测试示意图 Fig. 1 Schematic of the darkroom test 实际测试过程中,试件随测试转台旋转,设定测 试范围 0毅 ~ 180毅,为研究方便,定义前向 20毅角域为 80毅 ~ 100毅,前向 60毅角域为 60毅 ~ 120毅范围,入射电 磁波频率为 10 GHz 和 15 GHz, 暗室测试如图 2 所示. 对氧化锌铝透明导电膜试件,首先将测试后的 原始数据进行处理,简单分析其散射特性分布曲线 特性,研究曲线分布与方块电阻之间的初步影响关 系;进而以对应金属板为基准,从重点研究角域的雷 达散射面均值出发,研究了氧化锌铝透明导电膜的 图 2 氧化锌铝透明导电膜暗室测试图 Fig. 2 Image of darkroom test for AZO transparent conductive films 电磁散射特性,并结合可见光透光率等其他要素综 合分析应用于座舱玻璃的氧化锌铝薄膜设计. 进一 步地,为分析氧化锌铝透明导电膜对雷达散射截面 的影响规律,提出了雷达散射截面相对反射率概念, 并以此讨论了氧化锌铝透明导电膜的雷达散射截面 相对反射率影响规律,并根据实际需求,研究氧化锌 铝玻璃薄膜参数的取值范围. 2 基于雷达散射截面均值的相对反射率 2郾 1 雷达散射截面均值 实际雷达散射截面计算和实验分析中,电磁散 射对入射角(以飞行器而言为方位角)比较敏感,研 究者一般关注的是一定角域内的雷达散射截面均 值. 通常情况下,以均值来量化其数值大小,均值可 以分为算术均值和几何均值,假设关注角域为[ a, b],a 和 b 分别为起始和结束入射角,N 为[a,b]角 域上雷达散射截面采样点数目,此时角域[ a,b] 上 的雷达散射截面算术均值可以表示为: 滓 b a,m2 = 移 N i = 1 滓m2,i N (1) 其中,滓m2,i为第 i 个方位角上的雷达散射截面(m 2 ), 而其几何均值可表示为: 滓忆a,m2 b = ( 仪 N i = 1 滓m2,i ) 1 N (2) 一般的,测试或计算结果单位为 dBsm,记第 i 个方位角上的雷达散射截面为 滓dBsm,i,较小时可能 会小于 0 dBsm,主要讨论其算术均值: 滓 b a,dBsm = 移 N i = 1 滓dBsm,i N = 移 N i = 1 10lg 滓m2,i N = 10lg ( 仪 N i = 1 滓m2,i ) 1 N (3) 2郾 2 雷达散射截面相对反射率 对可见光,反射率和入射率一般定义在某一确 定的单一角度上,考虑到雷达散射特性的特殊性,当 ·1261·
·1262· 工程科学学报，第40卷，第10期 雷达散射截面单位为平方米时，定义相对反射率 由于氧化锌铝透明导电膜和对应金属板测试曲线在 如下： 一个状态下有11条，为分析方便，每个曲线图中仅 02.20×100% 列出了金属板及5条典型的AZ0透明导电膜雷达 Rem2= (4) m2,Metal 散射截面曲线 式中，02，zo和o2,Ma分别为氧化锌铝和金属板以 30 一金属板 平方米为单位的雷达散射截面.为方便求解，也经 0 =o--No.1 常采用dBsm为单位，可对上式两侧求对数并乘10， 4--No.3 -No.5 如下： --No.7 -0-No.9 10lg(Re-)=10lg(g20x100% -10 a,Metal (5) 由上式，以dBsm为单位时，定义相对反射率 30 如下： 40 Rea=10lg(Rea)=10lg(e×10o%）= 80 90100 110 120 人射角) 101g 2z0-101g Meal =aBsm,AZo aBm,Metal 图310GHz的水平极化测试曲线 (6) Fig.3 Test curves for HH polarization at 10 GHz ·Bm,Azo和OBm,Mea分别为氧化锌铝和金属板 30 以dBsm为单位的雷达散射截面.因此，单位为m2 一金属板 品 --0--No.1 和dBsm时，相对反射率可分别定义为Re(%)和 -A--N0.3 10 ReB(dB).以相应算术均值或几何均值（即由式 No.5 0 ---No.7 (3)计算出对应角域[a,b]内氧化锌铝镀膜玻璃、金 -No.9 -10 属板的.m,w和云。m,Ma)替代公式(4)和(6) -20 中的雷达散射截面值，可得到对应的以该类均值表 示的相对反射率 由式(6)，两个相对反射率之间的关系如下： 50 0 0 Re.2=100x100% 80 90100110120 (7) 入射角) 相应的，假设薄膜吸收率近似为0，可以得到透 图415GHz的水平极化测试曲线 射率为Tre=1-Re或TrB=10lg(1-Rem2). Fig.4 Test curves for HH polarization at 15 GHz 文中测试数据单位为dBsm,由公式(6)和(7) 30 求得相对反射率Re-和Rea,隐身性能好的透明导 -金属板 20 --a--No.1 电玻璃，其电磁散射特性应与金属类似，换句话说， 10 -4--No.3 相对反射率Rem2越接近于IO0%而ReaB应越接近 …No.5 0 ---No.7 0 dB. -0--No.9 -10 3氧化锌铝透明导电膜散射特性试验 20 30 对金属板试件及具有不同方块电阻的10个氧 -40 化锌铝镀膜玻璃试件，在微波暗室分别测试了10 50 0 GHz和15GHz的HH极化雷达散射截面部分测试 0 8090100110120 入射角(9 曲线.实际测试过程中，电磁波入射角范围为0°~ 图510GHz的垂直极化测试曲线 180°，而对金属板及类似金属板散射情况，结合外形 Fig.5 Test curves for VV polarization at 10 GHz 隐身技术重点关注需求，重点讨论正入射左右20° 角域（即[80,100]）和60°角域（即[60,120]）范围， 图3和图4分别为10GHz和15GHz时HH极 以研究座舱玻璃的电磁散射特性.通过对0°~180° 化雷达散射截面曲线，图5和图6为对应VV极化 角域雷达散射截面曲线进行校准，并提取60°~ 雷达散射截面曲线，对比以上曲线可以看出，氧化锌 120°范围雷达散射截面曲线，分别见图3~6.此外， 铝透明导电膜电磁散射具有以下特点：
工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 雷达散射截面单位为平方米时,定义相对反射率 如下: Rem2 = 滓m2,AZO 滓m2,Metal 伊 100% (4) 式中,滓m2,AZO和 滓m2,Metal分别为氧化锌铝和金属板以 平方米为单位的雷达散射截面. 为方便求解,也经 常采用 dBsm 为单位,可对上式两侧求对数并乘 10, 如下: 10lg(Rem2 ) = 10lg ( 滓m2,AZO 滓m2,Metal 伊 100% ) (5) 由上式,以 dBsm 为单位时,定义相对反射率 如下: RedB = 10lg(Rem2 ) = 10lg ( 滓m2,AZO 滓m2,Metal 伊 100% ) = 10lg 滓m2,AZO - 10lg 滓m2,Metal = 滓dBsm,AZO - 滓dBsm,Metal (6) 滓dBsm,AZO和 滓dBsm,Metal 分别为氧化锌铝和金属板 以 dBsm 为单位的雷达散射截面. 因此,单位为 m 2 和 dBsm 时,相对反射率可分别定义为 Rem2 (% )和 RedB ( dB). 以相应算术均值或几何均值(即由式 (3)计算出对应角域[a,b]内氧化锌铝镀膜玻璃、金 属板的滓 b a,dBsm,AZO和滓 b a,dBsm,Metal ) 替代公式(4) 和(6) 中的雷达散射截面值,可得到对应的以该类均值表 示的相对反射率. 由式(6),两个相对反射率之间的关系如下: Rem2 = 10 RedB 10 伊 100% (7) 相应的,假设薄膜吸收率近似为 0,可以得到透 射率为 Trm2 = 1 - Rem2或 TrdB = 10lg (1 - Rem2 ). 文中测试数据单位为 dBsm,由公式(6)和(7) 求得相对反射率 Rem2和 RedB ,隐身性能好的透明导 电玻璃,其电磁散射特性应与金属类似,换句话说, 相对反射率 Rem2 越接近于 100% 而 RedB 应越接近 0 dB. 3 氧化锌铝透明导电膜散射特性试验 对金属板试件及具有不同方块电阻的 10 个氧 化锌铝镀膜玻璃试件,在微波暗室分别测试了 10 GHz 和 15 GHz 的 HH 极化雷达散射截面部分测试 曲线. 实际测试过程中,电磁波入射角范围为 0毅 ~ 180毅,而对金属板及类似金属板散射情况,结合外形 隐身技术重点关注需求,重点讨论正入射左右 20毅 角域(即[80,100])和 60毅角域(即[60,120])范围, 以研究座舱玻璃的电磁散射特性. 通过对 0毅 ~ 180毅 角域雷达散射截面曲线进行校准,并提取 60毅 ~ 120毅范围雷达散射截面曲线,分别见图 3 ~ 6. 此外, 由于氧化锌铝透明导电膜和对应金属板测试曲线在 一个状态下有 11 条,为分析方便,每个曲线图中仅 列出了金属板及 5 条典型的 AZO 透明导电膜雷达 散射截面曲线. 图 3 10 GHz 的水平极化测试曲线 Fig. 3 Test curves for HH polarization at 10 GHz 图 4 15 GHz 的水平极化测试曲线 Fig. 4 Test curves for HH polarization at 15 GHz 图 5 10 GHz 的垂直极化测试曲线 Fig. 5 Test curves for VV polarization at 10 GHz 图 3 和图 4 分别为 10 GHz 和 15 GHz 时 HH 极 化雷达散射截面曲线,图 5 和图 6 为对应 VV 极化 雷达散射截面曲线,对比以上曲线可以看出,氧化锌 铝透明导电膜电磁散射具有以下特点: ·1262·
刘战合等：AZ0透明导电膜电磁散射光电参数影响试验 ·1263· 30 值，分别见表2和表3. 金属板 20 --a--No1 表2前向20°角域雷达散射截面算术均值 10 -女-N0.3 7m,N0.5 Table 2 RCS arithmetic means in angle domains of 20 in the nose di- 0 ---N0.7 rection dBsm -0-…-No.9 10 颜率10GHz 频率15GHz -20 Ro/0 HH VV HH W -30a 金属 -4.6848 -3.6224 -5.2627 -3.6157 40 1.7 -4.7275 -4.4878 -4.2900 -3.9933 50 70 80 90 100 110 120 白 -4.2636 -5.8927 -5.4524 -6.1748 入射角9 18 -5.4196 -5.8596 -9.1496 -7.5778 图615GHz的垂直极化测试曲线 20 -6.4881 -7.9412 -8.6690 -7.3621 Fig.6 Test curves for VV polarization at 15 GHz -7.5587 -9.7939 -11.1063 -9.7939 (1)曲线分布相似性.表现在两个不同角域上， 45 -12.6845 -8.9630 -15.3663 -11.7366 前向20°和60°角域.在前向20°角域附近表现为镜 91 -14.0057 -11.9660 -16.9354 -14.5948 面散射，这也是金属平板的典型特征，说明在该角域 129 -14.5669 -14.8227 -19.8096 -13.7493 范围，氧化锌铝薄膜具有与金属板相似的电磁散射 156 -15.4145 -15.3854 -18.1157 -15.3854 效果，这一效果利于飞行器座舱玻璃实现电磁屏蔽， 182 -18.6151 -20.6500 -20.7481 -17.8260 使座舱玻璃具有外形隐身可塑性，从而避免电磁波 进入座舱形成比较强烈的腔体散射.同时，在60°角 表3前向60°角域雷达散射截面算术均值 域范围，除镜面散射外，其余角域表现为较为相似的 Table 3 RCS arithmetic means in angle domains of 60 in the nose di- 震荡性，其雷达散射截面也受测试试件电尺寸、氧化 rection dBsm 锌铝薄膜方块电阻等性能影响. 颜率10GHz 频率15GHz Ro/n (2)方块电阻相关性.从各散射曲线可以看出， HH VV HH VV 方块电阻对雷达散射截面曲线分布有较大影响.在 金属 -15.1592 -12.5831 -14.7316 -14.6456 镜面散射区域，即前向20°角域，方块电阻变大时， 7.7 -14.6869 -15.4123 -13.7267 -15.3708 幅值逐渐变小，意味着电磁散射逐渐变弱，相反，方 -13.7267 -15.8449 -15.7166 -18.1277 块电阻越小，电磁散射越强，曲线形式越接近金属散 -15.7166 -18.2441 -19.3734 -17.9720 射：同时，方块电阻在一定范围时，前向20°波峰变 20 -17.4557 -19.3582 -18.7893 -17.2164 化不大，当电阻增加较大时，波峰变小幅度增加.在 32 -19.2745 -16.5321 -22.1741 -16.5321 前向60°角域（除去镜面散射波峰位置），方块电阻 45 -22.9618 -18.0931 -23.1452 -17.3295 变化会带来不同震荡情况的曲线，说明方块电阻会 91 -19.2856 -21.4116 -24.7589 -19.1528 影响曲线其他部位的震荡性.此外，薄膜方块电阻 129 -24.8411 -24.6870 -24.4016 -24.7136 变小，其可见光透光率也会变小，对于飞行器座舱玻 156 -25.0913 -24.7105 -23.9230 -24.7105 璃，需要同时考虑二者需求，在满足足够的可见光透 182 -24.9569 -27.7377 -25.3552 -21.7690 过率的前提下，薄膜方块电阻尽可能低 (3)频率及极化特性.雷达散射截面曲线图还 从表2和表3可以看出，两个角域内雷达散射 说明，频率较高时，曲线震荡变强，波峰宽度变窄，尤 截面均值变化规律基本一致，方块电阻变大时，雷达 其是前向20°角域.对比相同频率下不同极化的雷 散射截面均值降低，说明电磁散射减弱.如前所述， 达散射截面曲线，可以看出，两种极化的雷达散射截 对隐身性能影响比较明显的是前向20°角域，观察 面曲线有一定的相似性 表2，当方块电阻较小时(N0.1~3),其均值与对应 金属板接近，尤其是I0GHz情况.随着方块电阻进 4基于雷达散射截面均值的相对反射率特性 一步增大(No.4~5),均值开始加速变小，这一点也 4.1不同角域雷达散射截面算术均值分析 可以结合图3~6看出，但方块电阻在32D时，与金 针对上述氧化锌铝薄膜雷达散射截面测试曲 属板相差3B左右，在可接受范围，即方块电阻小 线，分别计算了前向20°角域和60°角域的算术均 于32Ω时，其前向20°角域均值和波峰具有与对应
刘战合等: AZO 透明导电膜电磁散射光电参数影响试验 图 6 15 GHz 的垂直极化测试曲线 Fig. 6 Test curves for VV polarization at 15 GHz (1)曲线分布相似性. 表现在两个不同角域上, 前向 20毅和 60毅角域. 在前向 20毅角域附近表现为镜 面散射,这也是金属平板的典型特征,说明在该角域 范围,氧化锌铝薄膜具有与金属板相似的电磁散射 效果,这一效果利于飞行器座舱玻璃实现电磁屏蔽, 使座舱玻璃具有外形隐身可塑性,从而避免电磁波 进入座舱形成比较强烈的腔体散射. 同时,在 60毅角 域范围,除镜面散射外,其余角域表现为较为相似的 震荡性,其雷达散射截面也受测试试件电尺寸、氧化 锌铝薄膜方块电阻等性能影响. (2)方块电阻相关性. 从各散射曲线可以看出, 方块电阻对雷达散射截面曲线分布有较大影响. 在 镜面散射区域,即前向 20毅角域,方块电阻变大时, 幅值逐渐变小,意味着电磁散射逐渐变弱,相反,方 块电阻越小,电磁散射越强,曲线形式越接近金属散 射;同时,方块电阻在一定范围时,前向 20毅波峰变 化不大,当电阻增加较大时,波峰变小幅度增加. 在 前向 60毅角域(除去镜面散射波峰位置),方块电阻 变化会带来不同震荡情况的曲线,说明方块电阻会 影响曲线其他部位的震荡性. 此外,薄膜方块电阻 变小,其可见光透光率也会变小,对于飞行器座舱玻 璃,需要同时考虑二者需求,在满足足够的可见光透 过率的前提下,薄膜方块电阻尽可能低. (3)频率及极化特性. 雷达散射截面曲线图还 说明,频率较高时,曲线震荡变强,波峰宽度变窄,尤 其是前向 20毅角域. 对比相同频率下不同极化的雷 达散射截面曲线,可以看出,两种极化的雷达散射截 面曲线有一定的相似性. 4 基于雷达散射截面均值的相对反射率特性 4郾 1 不同角域雷达散射截面算术均值分析 针对上述氧化锌铝薄膜雷达散射截面测试曲 线,分别计算了前向 20毅角域和 60毅角域的算术均 值,分别见表 2 和表 3. 表 2 前向 20毅角域雷达散射截面算术均值 Table 2 RCS arithmetic means in angle domains of 20毅 in the nose di鄄 rection dBsm R阴 / 赘 频率 10 GHz 频率 15 GHz HH VV HH VV 金属 - 4郾 6848 - 3郾 6224 - 5郾 2627 - 3郾 6157 7郾 7 - 4郾 7275 - 4郾 4878 - 4郾 2900 - 3郾 9933 12 - 4郾 2636 - 5郾 8927 - 5郾 4524 - 6郾 1748 18 - 5郾 4196 - 5郾 8596 - 9郾 1496 - 7郾 5778 20 - 6郾 4881 - 7郾 9412 - 8郾 6690 - 7郾 3621 32 - 7郾 5587 - 9郾 7939 - 11郾 1063 - 9郾 7939 45 - 12郾 6845 - 8郾 9630 - 15郾 3663 - 11郾 7366 91 - 14郾 0057 - 11郾 9660 - 16郾 9354 - 14郾 5948 129 - 14郾 5669 - 14郾 8227 - 19郾 8096 - 13郾 7493 156 - 15郾 4145 - 15郾 3854 - 18郾 1157 - 15郾 3854 182 - 18郾 6151 - 20郾 6500 - 20郾 7481 - 17郾 8260 表 3 前向 60毅角域雷达散射截面算术均值 Table 3 RCS arithmetic means in angle domains of 60毅 in the nose di鄄 rection dBsm R阴 / 赘 频率 10 GHz 频率 15 GHz HH VV HH VV 金属 - 15郾 1592 - 12郾 5831 - 14郾 7316 - 14郾 6456 7郾 7 - 14郾 6869 - 15郾 4123 - 13郾 7267 - 15郾 3708 12 - 13郾 7267 - 15郾 8449 - 15郾 7166 - 18郾 1277 18 - 15郾 7166 - 18郾 2441 - 19郾 3734 - 17郾 9720 20 - 17郾 4557 - 19郾 3582 - 18郾 7893 - 17郾 2164 32 - 19郾 2745 - 16郾 5321 - 22郾 1741 - 16郾 5321 45 - 22郾 9618 - 18郾 0931 - 23郾 1452 - 17郾 3295 91 - 19郾 2856 - 21郾 4116 - 24郾 7589 - 19郾 1528 129 - 24郾 8411 - 24郾 6870 - 24郾 4016 - 24郾 7136 156 - 25郾 0913 - 24郾 7105 - 23郾 9230 - 24郾 7105 182 - 24郾 9569 - 27郾 7377 - 25郾 3552 - 21郾 7690 从表 2 和表 3 可以看出,两个角域内雷达散射 截面均值变化规律基本一致,方块电阻变大时,雷达 散射截面均值降低,说明电磁散射减弱. 如前所述, 对隐身性能影响比较明显的是前向 20毅角域,观察 表 2,当方块电阻较小时(No郾 1 ~ 3),其均值与对应 金属板接近,尤其是 10 GHz 情况. 随着方块电阻进 一步增大(No郾 4 ~ 5),均值开始加速变小,这一点也 可以结合图 3 ~ 6 看出,但方块电阻在 32 赘 时,与金 属板相差 3 dB 左右,在可接受范围,即方块电阻小 于 32 赘 时,其前向 20毅角域均值和波峰具有与对应 ·1263·