基于垂直鏡面RCS減縮的周期結(jié)構(gòu)彎曲性能探究及設(shè)計*

王利云，張國瑞，周佩珩

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 國家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軍事、民用設(shè)備和系統(tǒng)的自動化、電子化水平不斷提高，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。RCS減縮作為提高目標(biāo)生存能力和突防能力的有效手段，是世界各國重點開發(fā)的技術(shù)[1-3]。

目前，超材料技術(shù)越來越多地應(yīng)用于RCS減縮領(lǐng)域。文獻[4-6]把超材料加載于微帶天線貼片周圍，實現(xiàn)了天線RCS減縮；文獻[7-8]研究了超材料在波導(dǎo)縫隙天線RCS減縮中的作用。國內(nèi)外研究大量集中在平面目標(biāo)的RCS減縮上，隨著技術(shù)的發(fā)展，要求超材料能夠靈活加載于特殊外形的目標(biāo)體，而簡單均勻結(jié)構(gòu)超材料加載到曲面上會出現(xiàn)減縮性能不穩(wěn)定的問題。目前，曲面RCS減縮主要依賴于復(fù)雜漸變單元圖形[9-10]，基于遺傳算法，通過大量的計算、優(yōu)化，設(shè)計出復(fù)雜的漸變圖形，存在較大的設(shè)計、制作困難。在眾多超材料中，平面型周期結(jié)構(gòu)由于簡單結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良而受到各國科研工作者的廣泛關(guān)注[11-12]。這種結(jié)構(gòu)由周期性導(dǎo)電圖案、介質(zhì)層和金屬底板構(gòu)成，可以通過調(diào)節(jié)形狀和尺寸參數(shù)，獲得所需工作頻段內(nèi)的特殊性能。本文主要探究了正方形周期結(jié)構(gòu)在彎曲狀態(tài)下、電磁波垂直入射情況下的RCS性能變化趨勢，初步總結(jié)了彎曲狀態(tài)下正方形周期結(jié)構(gòu)RCS的性能變化規(guī)律及其原因，并提出了一種在彎曲狀態(tài)下保持RCS性能相對穩(wěn)定的方環(huán)周期結(jié)構(gòu)。

1 主要原理

定量描述目標(biāo)散射強弱的物理量是目標(biāo)對入射雷達波呈現(xiàn)的有效散射截面積，通常簡稱為目標(biāo)的雷達散射截面或者雷達截面（Radar Cross Section）。它是目標(biāo)的一種假象面積，一般用符號σ表示，單位為m2。雷達散射截面可表示為：

式中Ei、Hi分別表示入射雷達波在目標(biāo)處的電磁場強度，Es、Hs表示目標(biāo)散射波在雷達處的電磁場強度，R為目標(biāo)到雷達天線的距離。當(dāng)距離R趨于無窮大時，能夠滿足遠場條件，此時照射在目標(biāo)體上的雷達入射波和雷達處的散射波可近似于平面波。

為了便于理解和計算，雷達散射截面積用式（2）表示，單位為dBsm：

本文主要探究了彎曲目標(biāo)體的單站RCS，因此對于目標(biāo)體在某一頻率對入射電磁波的RCS減縮值，用加載周期結(jié)構(gòu)材料后的該頻率單站RCS值減去該頻率PEC的單站RCS值表征，即：

這里假定目標(biāo)體為圓柱體上對應(yīng)一定弧度的曲面，用邊緣處切線與水平面的夾角θ來定義目標(biāo)體的彎曲程度，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)體彎曲程度示意

2 設(shè)計仿真

本文主要對正方形、方環(huán)兩種周期結(jié)構(gòu)進行了彎曲狀態(tài)下RCS減縮性能和斜入射電場分布的仿真。利用CST仿真軟件對上述兩種結(jié)構(gòu)進行仿真，結(jié)構(gòu)如圖2所示。上層為導(dǎo)電圖案，中間為介質(zhì)層，底層為連續(xù)完美電導(dǎo)體（PEC）。結(jié)構(gòu)周期p=15 mm，圖案尺寸l1=9 mm，l2=14 mm，b=8 mm，介質(zhì)層材料為硅橡膠，相對介電常數(shù)為3.3，損耗角正切為0.007 6，相對磁導(dǎo)率為1，厚度為3 mm，方阻R1=130 Ω，R2=50 Ω。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)周期單元

電磁波入射到彎曲目標(biāo)體上，可近似通過結(jié)構(gòu)單元斜入射情況來進行分析。如圖3所示，斜入射情況下，由于曲面不同位置電磁波到達結(jié)構(gòu)表面存在路程差，導(dǎo)致圖案層電場分布與垂直入射電場分布存在差異。

圖3 電磁波斜入射示意

圖4 、圖5分別為正方形周期結(jié)構(gòu)在TE、TM極化方式下不同彎曲程度的△RCS曲線。可以看到，正方形結(jié)構(gòu)在未彎曲時的有效帶寬為9.5～16.4 GHz；在TE波入射下，當(dāng)彎曲角度為10°時，對電磁波的RCS減縮幾乎全部降低到-10 dB以下，僅在10 GHz左右減縮值達到-10 dB；隨著彎曲程度的不斷增加，減縮效果不斷變差，在很窄的頻段內(nèi)減縮值達到-10 dB以上。TM波入射情況下也是如此，當(dāng)彎曲角度為10°時，14.2～16.5 GHz內(nèi)減縮值可達到-10 dB；彎曲角度增加后，減縮效果變差。

圖4 正方形結(jié)構(gòu)TE極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖5 正方形結(jié)構(gòu)TM極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖6 為CST軟件中正方形結(jié)構(gòu)在垂直入射和斜入射情況下諧振點的電場分布圖。可以看出，垂直入射下，電場集中在圖案層的邊緣處。TE波斜入射時，電場主要集中在圖案的4個角，且強度也存在差異。TM波斜入射時，電場主要集中在圖案層的一端，且相鄰單元邊緣沒有電荷聚集。電場的這種不均勻分布破壞了原有的諧振條件，造成了二次散射，使得正方形結(jié)構(gòu)在斜入射或彎曲狀態(tài)下的RCS減縮性能變差。

圖6 正方形結(jié)構(gòu)在垂直入射和斜入射情況下諧振點的電場分布

圖7、圖8分別為方環(huán)結(jié)構(gòu)在TE、TM極化方式下不同彎曲程度的△RCS曲線。可以看到，開口環(huán)結(jié)構(gòu)在未彎曲時，在10.4～16.4 GHz RCS減縮可達到-10 dB以上；在TE波入射下，當(dāng)彎曲角度為10°和20°時，在原頻段內(nèi)仍可保持-10 dB以上的減縮；彎曲角增加到30°、40°時，帶寬略有減小。TM波入射下，10°彎曲角減縮保持穩(wěn)定；隨著彎曲角度的增加，帶寬略有減小，但總體性能保持穩(wěn)定。為了更好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減縮性能，選取PEC與方環(huán)結(jié)構(gòu)在TE極化波和TM極化波入射下11.9 GHz處雙站RCS對比曲線，如圖9所示。從曲線可以看出，不論是TE極化波還是TM極化波，在5°～175°RCS減縮都能達到-10 dB以上。

圖7 方環(huán)結(jié)構(gòu)TE極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖8 方環(huán)結(jié)構(gòu)TM極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖10 （a）為設(shè)計的方環(huán)結(jié)構(gòu)在垂直入射情況下的表面電流分布圖?？梢钥吹剑江h(huán)結(jié)構(gòu)的表面電流并非沿著平行于電場方向的邊，而是在垂直于入射波電場方向的邊。感生電場主要集中在圖案的邊緣，圖10（b）、圖10（c）和圖10（d）為CST軟件中方環(huán)結(jié)構(gòu)在斜入射情況下諧振點的電場分布圖。TE和TM波斜入射時，電場分布與垂直入射大致相同，集中在圖案邊緣，使得方環(huán)結(jié)構(gòu)在斜入射或彎曲狀態(tài)下的RCS減縮性能穩(wěn)定。

圖9 PEC與方環(huán)結(jié)構(gòu)在TE極化波和TM極化波入射下11.9 GHz處的雙站RCS對比曲線

圖10 方環(huán)結(jié)構(gòu)在垂直入射和斜入射情況下諧振點的表面電流和電場分布

3 結(jié) 語

本文利用CST軟件對正方形和方環(huán)結(jié)構(gòu)在垂直入射、斜入射場分布以及不同彎曲程度下的RCS減縮進行對比分析，發(fā)現(xiàn)正方形結(jié)構(gòu)在斜入射或彎曲狀態(tài)下由于同相位面的電磁波到達結(jié)構(gòu)表面存在路程差，導(dǎo)致場分布不均勻，破壞了原有的諧振條件而造成二次散射，致使減縮效果變差。而設(shè)計的方環(huán)結(jié)構(gòu)在斜入射或彎曲狀態(tài)下場分布與垂直入射時大致相同，分別在TE、TM兩種極化波入射下，在11.7～15.4 GHz可以保證-10 dB以上的RCS減縮，使得結(jié)構(gòu)在斜入射或彎曲狀態(tài)下減縮效果穩(wěn)定。

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