物理光學法在吸收體散射特性研究中的運用探究

蘇焌發(fā)

摘要：物理光學法的思想是計算高頻近似值。其基本思想是，通過簡化物體表面散射場的幾何形狀，把數(shù)學與物理相結(jié)合，把吸收體的散射形狀轉(zhuǎn)化為光學和積分公式。所以物理光學方法在研究吸收體的散射特性方面發(fā)揮了重要作用。其優(yōu)點可以從表面簡化為計算結(jié)果。

關(guān)鍵詞：物理光學法;吸收體特性;散射場計算;吸收體散射

1.物理光學法

散射感應(yīng)電流被用來代替物理和光學理論中的近似場和積分場。對于計算相對封閉的散射曲面來說，這些方程是正確的，但Stratton-Chu積分方程的積分項的字段是整個字段，它包含入射和散射兩個子項。物理法和化學法均為高頻近似法。在散射距離遠大于波長的情況下，用物理光學方法對切線表面進行粗略的整合。假設(shè)表面電流與電流值相等，積分面是理想的平滑面。該方法可以應(yīng)用于任何物體或表面材料。本文歸納出物理光學法具有以下特點：

1）物理光學法的計算。該過程是由入射場求表面電流密度，密度求比特函數(shù)，再求散射場。一般情況下，能嚴格按積分要求進行具體計算的情況并不多見，多數(shù)情況下需要采用數(shù)學方法進行近似簡化。

2）在散光區(qū)域中，也就是說，電流密度不是零。對于散射陰影區(qū)域，入射場不為零，電流密度為零;所以在研究吸收體在物理光學系統(tǒng)中的散射時，一般不會考慮陰影區(qū)域。

3）由于不需要處理吸收體的虛線和陰影邊界，所以物理光學方法是解決吸收體散射問題的常用方法。把散射問題的曲面分割成多邊形單元，利用數(shù)學積分法，把曲面積分作為數(shù)學積分處理。

2.對吸收體的特征分析

對物理光學法研究的對象而言，吸收體的結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，此時可通過簡化其表面結(jié)構(gòu)來研究其散射場。研究發(fā)現(xiàn)，由于吸收體表面具有二維周期特征，將涂層介質(zhì)三角板與涂層介質(zhì)二面反射單元簡化為周期組合，可將其細化為近似正四棱錐的導體。單層涂層三角板和雙面角型結(jié)構(gòu)，消耗介質(zhì)為涂層介質(zhì)。其主要參數(shù)是， d為介質(zhì)的厚度， a為兩面角的夾角， l為兩個三角面的共同變長， a為棱錐上相鄰點的距離， l= a為正四棱錐。

只計算導體被介質(zhì)覆蓋的兩側(cè)，利用矩陣法對角形、三角形單元的雜散場進行分析，得到各方向的雜散場。這時，兩個矩陣和三角矩陣的中心位置是1。

3.對吸收體散射場的計算

吸收體入射電磁波時，材料表面就會在吸收體面上形成散射。普通吸收體上方為涂層介質(zhì)，下方為導體或基材。

在一般情況下，在計算此類吸收體的散射場和研究其特性時，必須考慮多次反射的影響，計算方法與涂層導體板完全相同。因此在計算漸變吸收體散射時，必須進行分解計算，分離出構(gòu)成漸變吸收體面與吸收體面的單元，再利用疊加原理。

基于有損耗介電參數(shù)對涂層導體 RCS的影響，在最佳介質(zhì)厚度條件下，多層吸收器的 RCS計算結(jié)果確定了涂層導體 RCS，并展示了天線陣列技術(shù)。用該方法計算了由兩面角、入射波、相對介電常數(shù)和相對磁導率組成的梯度吸收 RCS。測定總傾斜吸收面的 RCS，其中包括總吸收面 RCS，并提出了基于 HFSS的大尺寸吸收體 RCS的計算方法，但是由于采用了本文的分析和計算方法，使得整個吸收體 RCS的快速計算成為可能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著吸收率的變化，吸收率逐漸呈周期性變化;最小值為0.5°、10°、15°、20°、25°和30°等。在設(shè)計漸變散射體時應(yīng)注意改變其大小，使吸收體的 RCS減小。

4.物理光學法對吸收體散射分析的具體做法

一是采用散射射電大尺寸介質(zhì)包覆的導體二面角單元，其面積為2 a"-180平方米，適用于局部覆蓋介質(zhì)的導體雙面角導體結(jié)構(gòu)。a=80 mm， l=40 mm， d=1.155 mm，介電常數(shù)為 e=2-2 j，相對磁導率為 u=4～4 j，平面波頻率為12 GHz。采用 HFSS軟件進行了數(shù)值計算，并對雙站圖進行了 RCS分析。然后用 HFSS軟件對其進行模擬，得到模擬結(jié)果與零變化關(guān)系曲線，而虛線是計算結(jié)果與零變化關(guān)系曲線。計算結(jié)果表明，該方法與計算機仿真軟件計算結(jié)果基本一致。因此，對于局部涂覆吸波材料的電磁大尺寸導體散射目標，可以采用物理光學方法結(jié)合等效電磁流量表達式計算散射場。

其次，涂布導體表面的角元形成一維陣列散射體時，涂布介質(zhì)的入射波在涂布表面的大小、頻率和方向與前面11個角元相同。當前，一維陣列散射體電性能較強，難以直接用數(shù)值方法和 HFSS軟件進行計算。利用各元素的結(jié)構(gòu)周期特性，采用物理光學方法計算散射場，利用一維陣列分析技術(shù)進行計算。若0=0，則一維數(shù)組的 RCS與0 e有很大關(guān)系。原因在于每一個陣列元素在不同的0 E角度有不同的相位。

研究吸收體的散射特性，吸收體的偏振方向是1 ez，并且偏振方向是 Ei。選定的減震器是由 n× n個齒輪組成的。將陣元的位置坐標組成獨立的散射單元。兩面角陣列單元的位置坐標，基于電磁波的偏振方向，可以得到兩種不同的入射波： TE波和 TM波。它同樣發(fā)生在三角形陣列元素的位置坐標，也就是入射坐標。這是 TE波或者 TM波。

對不同的入射波采用同樣的計算方法。采用物理光學方法計算各單元的散射場，利用陣列分析技術(shù)計算了整體點體單向的雜散場。在入射波頻率不變的情況下，吸收體的散射特性隨介質(zhì)表面厚度的不同而不同。有一個最小值存在于某一點，這個值隨 d而增大。在峰值時刻，散射特性隨 d的增大而減小。檢測吸收體的散射特性需要考慮三個主要因素：吸收體結(jié)構(gòu)、入射波的頻率和涂層介質(zhì)的厚度。綜合上述三方面因素，才能更好地運用物理光學方法進行合理、準確的研究，從而得出正確的結(jié)論。

總結(jié)

對吸波體包覆局部導體，利用低頻數(shù)值方法直接計算散射場。運算量大，運算速度慢，無法實現(xiàn)。所以你應(yīng)該用高頻方法來近似。散射因表面或涂層的改變而對反射過程產(chǎn)生顯著影響。對散射特性進行研究并獲取某些參數(shù)是一個困難的工作。對這一問題，一般采用物理光學的方法來研究，即精細分解。

參考文獻

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（四川輕化工大學?644000）