輻射吸收材料

在材料科學中，吸波材料（radiation-absorbent material, RAM）是一種經過特殊設計和塑形，能盡可能有效地從各種入射方向吸收射頻輻射（又稱非電離輻射）的材料。吸波材料的效果越好，其反射的射頻輻射量就越低。在電磁相容性（EMC）和天線輻射場型的諸多量測中，都要求測試環境中產生的雜訊訊號（包含反射）必須小到可以忽略，以避免造成量測誤差和模糊不清的結果。

簡介

最有效的吸波材料類型之一，是由角錐狀陣列組成的材料，每個角錐都由適當的耗損性材料構成。為確保有效運作，電波暗室的所有內表面都必須完全覆蓋吸波材料。部分吸波材料可以為了安裝設備而暫時移除，但在進行任何測試前都必須歸位。為了達到足夠的耗損性，吸波材料既不能是良好的導電體，也不能是良好的電絕緣體，因為這兩種類型實際上都不吸收任何能量。典型的角錐狀吸波材料由橡膠泡棉材料製成，並浸漬了經過控制比例混合的碳和鐵。角錐結構從底部到尖端的長度，是根據預期的最低頻率和所需的吸收量來選擇。對於低頻阻尼，此距離通常為 24 英寸，而高頻板則可短至 3-4 英寸。吸波材料板通常安裝在電磁相容性測試室的牆壁上，尖端朝向室內。角錐狀吸波材料透過散射和吸收兩種效應來衰減訊號。散射可以是以同調方式發生，此時反射波相位相同，但方向偏離接收器；也可以是非同調方式，此時波被接收器接收，但因相位不同而導致訊號強度較低。這種非同調散射也發生在泡棉結構內部，其中懸浮的碳粒子會促進破壞性干涉。內部散射可產生高達 10 dB 的衰減。同時，角錐的形狀被切割成能使電波在結構內反彈次數最大化的角度。每次反彈，電波都會將能量損失給泡棉材料，因此離開時的訊號強度會降低。

另一種吸波材料是由扁平的鐵氧體材料板組成，以扁平瓷磚的形式固定在暗室的所有內表面。此類型的有效頻率範圍比角錐狀吸波材料小，且設計用於固定在良好的導電表面上。它通常比角錐狀吸波材料更容易安裝且更耐用，但在較高頻率下效果較差。然而，如果測試僅限於較低頻率，其性能可能已相當足夠（鐵氧體板的阻尼曲線使其在 30–1000 MHz 之間最有效）。還有一種混合型，即角錐狀的鐵氧體。它結合了兩種技術的優點，可以在保持角錐體積較小（約 1 英寸）的情況下，最大化頻率範圍。

對於物理上可實現的吸波材料，其厚度與頻寬之間存在權衡關係：吸波材料的最佳厚度與頻寬比由羅扎諾夫極限定義。

在匿蹤技術中的應用

雷達吸波材料被用於匿蹤技術，以使載具或結構避免被雷達偵測。材料在特定雷達波頻率下的吸收能力取決於其成分。吸波材料無法在任何頻率下完美吸收雷達波，但任何給定的成分在某些頻率下的吸收能力會比其他頻率更強；沒有任何一種吸波材料適用於吸收所有雷達頻率。一個常見的誤解是，吸波材料能使物體對雷達隱形。雷達吸波材料可以在特定雷達頻率下顯著降低物體的雷達截面積，但並不會在任何頻率上實現「隱形」。

歷史

最早的匿蹤塗層形式是由多摩技術研究所的真野少校和東京工業大學的斯波博士為大日本帝國陸軍飛行戰隊開發的雷達吸收漆。他們測試了多種油漆混合物，其中以三氧化二鐵和液態橡膠，以及三氧化二鐵、瀝青和飛機塗料的組合效果最佳。儘管在實驗室測試中取得成功，但這些塗料幾乎沒有實際應用，因為它們很重，會嚴重影響所塗覆飛機的性能。

相反地，大日本帝國海軍看到了反雷達材料的巨大潛力，海軍第二技術研究所開始研究用層狀材料而非油漆來吸收雷達波。他們將不同比例的橡膠和塑膠與碳粉分層，以吸收和分散雷達波。結果在對抗 3 GHz（S 波段）頻率時很有希望，但對抗 3 公分波長（10 GHz，X 波段）的雷達效果不佳。該計畫因盟軍的轟炸而中斷，但戰後由美國人繼續研究，並取得了一定的成功。

1944 年 9 月，德國海軍在二戰期間為潛艇的呼吸管（或潛望鏡）使用名為「Sumpf」和「Schornsteinfeger」的塗層，以降低其在盟軍使用的 20 公分雷達波段（1.5 GHz，L 波段）的反射率。這種材料具有層狀結構，以石墨顆粒和其他半導體材料嵌入橡膠基質中為基礎。其效能會因海水的作用而部分降低。

雷達吸波材料（RAM）的類型

鐵球漆吸收劑

最常見的吸波材料類型之一是鐵球漆。它含有塗覆了羰基鐵或鐵氧體的微小球體。雷達波在此種油漆中由交變磁場引發分子振盪，進而將雷達能量轉換為熱能。熱能隨後傳遞到飛行器上並散逸。油漆中的鐵粒子是透過分解五羰基鐵獲得的，可能含有微量的碳、氧和氮。F-117A「夜鷹」戰鬥機及其他匿蹤飛機使用的一種技術，是將特定尺寸、電絕緣的羰基鐵球懸浮在雙組分環氧樹脂漆中。每個微觀球體都透過專利製程塗覆二氧化矽作為絕緣體。然後，在面板製造過程中，當油漆仍是液態時，施加特定高斯強度和特定距離的磁場，在液態油漆的鐵磁流體中，於羰基鐵球內產生磁場圖案。油漆隨後固化，磁場將粒子固定在其磁性圖案中。一些實驗曾在塗漆面板的相對兩側施加相反的南北磁場，使羰基鐵粒子對齊（使其末端直立，從而在三維空間上與磁場平行）。當羰基鐵球均勻分散、電絕緣，並對入射的雷達波呈現密度逐漸增加的梯度時，其效果最佳。另一種相關的吸波材料由氯丁橡膠聚合物片材組成，其中嵌入了鐵氧體顆粒或導電碳黑顆粒（固化後重量約含 0.30% 的結晶石墨）。此種瓦片曾用於早期版本的 F-117A 夜鷹，但較新的型號則使用塗漆式吸波材料。F-117 的塗裝由工業機器人完成，因此可以一致地塗上特定層厚和密度的油漆。飛機表面覆蓋著「黏合」到機身上的瓦片，其餘間隙則用鐵球「膠」填充。美國空軍推出了一種由鐵磁流體和非磁性物質製成的雷達吸波漆。透過減少電磁波的反射，這種材料有助於降低塗有吸波材料的飛機在雷達上的可見度。以色列公司 Nanoflight 也製造了一種使用奈米粒子的雷達吸波漆。中華民國（台灣）軍方也已成功開發出雷達吸波漆，目前用於台灣的匿蹤軍艦以及正在開發中的台灣自製匿蹤戰鬥機，以應對其競爭對手——已知已向公眾展示匿蹤軍艦和飛機的中國大陸（中華人民共和國）的匿蹤技術發展。

泡棉吸收體

泡棉吸收體被用作電波暗室的襯裡，以進行電磁輻射量測。這種材料通常由防火聚氨酯泡棉製成，其中負載了 0.05% 至 0.1%（按成品重量計）混合比例的導電碳黑［羰基鐵球形顆粒，及／或結晶石墨顆粒］，並被切割成方形角錐，其尺寸根據目標波長設定。當導電顆粒以密度梯度分層時，可以進一步改進，使角錐尖端的顆粒百分比最低，而底部的顆粒密度最高。這對入射的雷達波呈現出「緩慢」的阻抗變化，進一步減少反射（回波）。當尋求寬頻吸收體時，角錐結構從底部到尖端的長度以及底部的寬度是根據預期的最低頻率來選擇的。在軍事應用的低頻阻尼中，此距離通常為 24 英寸，而高頻板則短至 3-4 英寸。一個高頻應用的例子是警用雷達（測速雷達 K 和 Ka 波段），其角錐尺寸約為 1.5 英寸長，底座為 0.5 英寸 x 0.5 英寸。該角錐會設置在一個 5 公分 x 5 公分的立方體底座上，高 0.75 英寸（角錐與底座總高約為 2.25 英寸）。角錐的四個邊緣是平緩的弧線，使其外觀略顯「膨脹」。這種弧形提供了一些額外的散射，並防止任何銳利邊緣產生同調反射。吸波材料板安裝時，角錐尖端指向雷達源。在需要空氣動力學的場合，這些角錐也可能隱藏在幾乎對雷達透明的外部外殼之後。角錐狀吸波材料透過散射和吸收來衰減訊號。散射可以是以同調方式發生，此時反射波相位相同，但方向偏離接收器；也可以是非同調方式，此時波可能反射回接收器，但因相位不同而導致訊號強度較低。同調反射的一個好例子是 F-117A 匿蹤戰機的多面體外形，它向雷達源呈現的角度使同調波被反射到遠離其發射點（通常是偵測源）的方向。非同調散射也發生在泡棉結構內部，其中懸浮的導電顆粒會促進破壞性干涉。內部散射可產生高達 10 dB 的衰減。同時，角錐的形狀被切割成能使電波在結構內反彈次數最大化的角度。每次反彈，電波都會將能量損失給泡棉材料，因此離開時的訊號強度會降低。其他泡棉吸收體以平板形式提供，在不同層中使用遞增的碳負載梯度。泡棉材料內的吸收發生在雷達能量在導電顆粒中轉換為熱能時。因此，在涉及高雷達能量的應用中，會使用冷卻風扇來排散產生的熱量。

焦曼吸收體

焦曼吸收體或焦曼層是一種雷達吸波物質。當其於 1943 年首次被提出時，焦曼層由兩個等距的反射面和一個導電接地平面組成。可以將其視為一種廣義的、多層的沙利斯伯利屏，因為原理相似。作為一種共振吸收體（即利用波的干涉來抵消反射波），焦曼層取決於第一個反射面與接地平面之間以及兩個反射面之間的 λ/4 間距（總共 λ/4 + λ/4）。由於波可以在兩個頻率上共振，焦曼層會在一個波長帶上產生兩個吸收最大值（如果使用雙層配置）。這些吸收體的所有層都必須相互平行，並與它們所隱藏的接地平面平行。更複雜的焦曼吸收體使用一系列介電面來分隔導電片。這些導電片的電導率隨著與接地平面的距離縮短而增加。

開口環諧振器吸收體

開口環諧振器（SRRs）在各種測試配置中已被證明是極其有效的雷達吸收體。SRR 技術可與上述技術結合使用，以提供累積的吸收效果。SRR 技術在用於具有完美平坦表面、不會將雷達波直接反射回源頭的多面體形狀（如 F-117A）時尤其有效。此技術使用照相製程，在介電基板（薄電路板材料）上的薄銅箔（約 0.001 英寸或 25 µm）上創建抗蝕層，並蝕刻成調諧的諧振器陣列，每個獨立的諧振器呈「C」形（或其他形狀，如方形）。每個 SRR 都是電絕緣的，所有尺寸都經過精心指定，以在特定雷達波長下優化吸收效果。由於不是閉合的「O」形環，「C」形的開口呈現出特定尺寸的間隙，作用類似電容器。在 35 GHz 時，「C」形的直徑接近 5 公釐。諧振器可以調諧到特定波長，並且多個 SRR 可以與特定厚度的絕緣層堆疊在一起，以提供對雷達能量的寬頻吸收。堆疊時，範圍內較小的 SRR（高頻）首先面向雷達源（就像一疊甜甜圈，隨著遠離雷達源而逐漸變大），三層堆疊已被證明能有效提供寬頻衰減。SRR 技術的作用方式與抗反射塗層在光學波長下的作用非常相似。SRR 技術提供了迄今已知技術中最有效的雷達衰減，並向實現完全隱形（完全匿蹤，「隱形斗篷」）又邁進了一步。在可見光波長以及紅外波長（光學雷達吸收材料）方面的研究也正在進行中。

碳奈米管

雷達在微波頻率範圍內工作，而多壁奈米管（MWNTs）可以吸收此頻段的電磁波。將多壁奈米管應用於飛機上會使雷達波被吸收，從而使其雷達截面積看起來更小。一種可能的應用是將奈米管塗在飛機上。最近，密西根大學在碳奈米管作為飛機匿蹤技術的應用方面進行了一些研究。研究發現，除了吸收雷達的特性外，奈米管既不反射也不散射可見光，使其在夜間基本上是隱形的，這很像將現有的匿蹤飛機塗成黑色，但效果要好得多。然而，目前的製造限制意味著尚無法生產塗有奈米管的飛機。一種克服這些限制的理論是，用奈米管覆蓋小顆粒，並將這些被覆蓋的顆粒懸浮在像油漆這樣的介質中，然後將其塗覆到匿蹤飛機等表面上。

參見

• 光學雷達（Lidar）
• 雷達截面積（RCS）
• 匿蹤技術
• 雷達干擾與欺騙

參考資料

參考書目

• 《Schornsteinfeger 計畫》，CIOS 報告 XXVI-24。

外部連結

• 雷達吸波材料供應商

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