表面縫隙對透波材料RCS的影響分析

于天立,董文鋒

(1. 空軍預(yù)警學院,湖北 武漢 430019;2. 空軍石家莊飛行學院,河北 石家莊 050051)

1 引言

對于新一代飛行器、坦克、艦船、導(dǎo)彈等,利用隱身技術(shù)提高其戰(zhàn)場生存力是現(xiàn)在乃至未來的發(fā)展趨勢[1,3]。雷達是探測飛行器目標的主要手段,這就要求了現(xiàn)代飛行器在概念設(shè)計階段就要依據(jù)其作戰(zhàn)任務(wù)的不同、戰(zhàn)場環(huán)境的差異及受威脅程度的大小,把雷達隱身作為其設(shè)計的重要技術(shù)指標[4,6]。

隨著隱身技術(shù)的不斷發(fā)展,飛行器的雷達隱身性能越來越強。傳統(tǒng)飛行器的強散射源,如飛行員駕駛艙、進氣道、機翼、雷達艙等都得到了有效的RCS抑制和減縮[7]。但是,受制造工藝、技術(shù)條件的限制,飛行器表面會出現(xiàn)諸如縫隙、臺階、鉚釘?shù)炔贿B續(xù)的特征(即電磁缺陷)[8]。一方面,這些不連續(xù)的特征受電磁波照射時,由于其表面不連續(xù)的物理特征將引起的目標表面行波、蠕波等的二次輻射;另一方面則是其自身對入射電磁波的直接響應(yīng),比如縫隙結(jié)構(gòu)在受電磁波照射時產(chǎn)生的反射、邊緣繞射、折射等[9,15]。在這兩個方面的作用下,這些不連續(xù)特征成為了弱散射源;在強散射源被有效抑制的情況下,弱散射源對目標隱身性能的影響日益突出。因此,對其散射機理進行深入研究就顯得尤為重要[16]。由于透波材料良好的透波性能,使其被廣泛用于隱身飛行器的設(shè)計中,但也正是由于其良好的透波性能,使其表面不連續(xù)特征的電磁散射特性相對于傳統(tǒng)的金屬機身材料發(fā)生了改變,從而使其對載體RCS特征的影響發(fā)生了變化。本文以縫隙為代表、透波平板為載體,借助電磁計算軟件FEKO對不同情況下目標的單站RCS進行仿真。通過改變方形透波平板上縫隙的寬度、深度、數(shù)量和極化方式,探究透波材料表面的不連續(xù)特征對隱身飛行器RCS的影響及變化規(guī)律,與金屬材料進行對比并給出結(jié)論[17]。

2 單縫隙載體RCS建模與仿真分析

2.1 單縫隙載體建模

研究采用平板型載體模型,上面帶有代表電磁缺陷的縫隙。為了抑制電磁波入射時平板載體棱邊的邊緣繞射,減少透波平板載體自身的電磁散射對縫隙結(jié)構(gòu)散射的影響,故將邊長為l、厚度為d、位于YOZ平面上的正方形透波平板的一條對角線放置于Y軸上,設(shè)透波材料為非磁性的,μ=μ0,介電常數(shù)ε=εr+jεi、損耗角正切tanδ=εi/εr;在透波平板載體上以Z軸為中線做長度為l、寬度為m、深度為n的長方體縫隙,電磁波掃描面位于XOY平面內(nèi),入射方位角度φ為電磁波入射方向與X正半軸的夾角,如圖1所示。

圖1 平板縫隙載體模型示意圖

固定透波平板邊長度l、平板厚度d、縫隙長度l、透波材料電磁參數(shù)(μ,ε),通過設(shè)定不同寬度與深度的縫隙,探究不同情況下縫隙對透波平板載體RCS的影響。

2.2 單縫隙對透波載體RCS影響的仿真分析

縫隙屬于弱散射源,在弱散射源分析時,微弱的電磁波動可能會造成結(jié)果分析時結(jié)論的不同,故在進行仿真計算時采用具有較高計算精度的MOM算法(矩量法)。

設(shè)透波平板邊長度l=1000mm,厚度d=5mm;縫隙長度l=1000mm。在探究縫隙寬度變化對載體RCS的影響時,固定縫隙深度n=4mm,縫隙寬度m分別取10、15、20、25、30mm進行建模;在探究縫隙深度變化對載體RCS的影響時,固定縫隙寬度n=30mm,縫隙深度n分別取0.5、1、2、3、4mm進行建模;透波材料為非磁性材料,磁導(dǎo)率取μ=μ0,介電常數(shù)取εr=3.55、電損耗角正切取tanδ=0.003;電磁波入射頻率f以0.5GHz、1.5GHz、3GHz三個頻點分別代表P、L、S三個波段,入射方位角φ=0°～90°,步長為1°;定義入射電磁波的電場方向平行于波束入射面時為VV極化(垂直極化)、垂直于波束入射面時為HH極化(水平極化),分別對透波材料的載體模型在HH極化與VV極化方式下進行RCS仿真,仿真結(jié)果如圖2、3、4所示。

圖2 不同極化方式下,不同寬度、深度的縫隙對透波平板載體RCS影響的仿真結(jié)果(f=0.5GHz)

圖3 不同極化方式下,不同寬度、深度的縫隙對透波平板載體RCS影響的仿真結(jié)果(f=1.5GHz)

圖4 不同極化方式下,不同寬度、深度的縫隙對透波平板載體RCS影響的仿真結(jié)果(f=3.0GHz)

單縫隙對純金屬平板載體RCS的影響在文獻[18]中已經(jīng)做了充分的分析與論證:①當入射電磁波的電場方向垂直于縫隙走向時縫隙對載體的RCS的增幅明顯大于入射電磁波的電場方向平行于縫隙走向時,即入射電磁波極化方式的不同會導(dǎo)致縫隙對純金屬平板載體RCS的影響存在差異;②當入射波入射頻率為P波段與L波段時,縫隙對純金屬平板載體RCS的影響微小;③無論入射電磁波是HH極化還是VV極化,縫隙對載體RCS的影響都會隨著入射頻率、縫隙寬度、縫隙深度的增大而變大,且隨著入射頻率的提高單位縫隙寬度與深度的變化對純金屬載體RCS的影響變大,但是當縫隙寬度大于1/4波長時,RCS增幅趨于平緩或微弱下降。

從圖2、3、4可以看出,與單縫隙對金屬平板載體RCS的影響所不同的是:①改變?nèi)肷潆姶挪ǖ臉O化方式,縫隙對于透波平板載體RCS的影響并未發(fā)生太大的變化;②當入射波入射頻率為P波段與L波段時,縫隙對透波平板載體RCS仍然存在明顯的影響;③因縫隙寬度與深度變化而對透波載體RCS產(chǎn)生的影響受頻率變化影響不大。

保持入射頻率不變時,在縫隙對載體RCS的影響會隨著縫隙寬度、縫隙深度的增大而變大,且當縫隙寬度大于1/4波長時,RCS增幅趨于平緩或微弱下降,這一結(jié)論上單縫隙對透波平板載體RCS的影響與單縫隙對金屬載體RCS的影響保持一致。

3 多縫隙載體RCS建模與仿真分析

無論是機翼還是機身,在隱身飛行器表面上的不連續(xù)特征分布規(guī)律往往表現(xiàn)為多列、多行平行分布,對于不連續(xù)特征在不同入射頻率、極化方式、縫隙寬度、縫隙深度的情況下對透波載體RCS的影響已在第1節(jié)做了充分的分析,故本節(jié)探究固定寬度與深度的多列平行縫隙,在電磁波以3GHz頻率HH極化方式入射時對透波載體RCS的影響進行論證與分析。

3.1 多縫隙散射相干原理

RCS是指雷達入射方向上單位立體角內(nèi)返回散射功率與目標截獲的照射功率密度之比[19],所以在討論多縫隙對載體RCS影響的問題上可以轉(zhuǎn)換為討論多縫隙對載體散射場強度的影響。將縫隙載體的散射場強度分為3個部分:不存在縫隙的載體、縫隙、存在縫隙的載體,其散射場強度分別為Ez、Eg、Ezg。按照矢量疊加原理有

Ezg=Eg+Ez

(1)

根據(jù)矢量疊加原理可知,多列平行縫隙的散射場強度為每一個縫隙散射場強度的矢量疊加和,設(shè)多列平行縫隙位于YOZ平面內(nèi),ci表示第i個縫隙,縫隙總個數(shù)為n;ti表示第i個縫隙與第i+1個縫隙之間的距離;電磁波掃描面位于XOY平面內(nèi),垂直于多列縫隙所構(gòu)成的平面,電磁波入射角度φ為電磁波入射方向與X正半軸的夾角,示意圖如圖5所示。

圖5 多列縫隙示意圖

由于每個縫隙間存在距離差,故縫隙與縫隙之間在電磁波入射方向存在相位差,設(shè)c1的相位為φ1,c2與c1之間的相位差為△φ1,ci+1與ci之間的相位差為△φi;再設(shè)c1縫隙的散射場強度為E1,其對應(yīng)的c2縫隙的散射場強度為E2,以此類推ci縫隙的散射場強度為Ei,Li表示第i個縫隙在縫隙走向方向上的長度,由相位差可得

(2)

式中,φi-1′表示第i個縫隙與第一個縫隙之間的相位差。設(shè)λ表示入射電磁波的波長,φi-1′可以表示為

(3)

根據(jù)矢量疊加原理,多列平行縫隙所構(gòu)成的總散射場強度可表示為

(4)

將式(4)代入式(1)可將縫隙載體的散射場強度表示為

(5)

由于平板載體已經(jīng)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)處理,減少了平板的邊緣繞射對仿真計算結(jié)果所帶來的影響,故在矢量疊加時Ez與Eg因為方向不同而對結(jié)果造成的影響較小,式(5)將探究多個矢量散射源輻射的問題轉(zhuǎn)換為探究一個矢量散射源輻射與散射源之間距離的問題,可適用于研究不同長度與不同間距的多平行縫隙對目標載體RCS的影響。

3.2 多縫隙對透波載體RCS影響的仿真分析與驗證

以三列平行縫隙透波載體為例,分別對等間距等長度縫隙載體、等間距不同長度縫隙載體、等長度不同間距縫隙載體進行RCS數(shù)值仿真進行驗證。

圖6所示為帶有三列平行縫隙的透波載體示意圖,透波平板參數(shù)與電磁波入射參數(shù)同單縫隙模型,縫隙參數(shù)同圖5。

圖6 三列平行縫隙透波載體示意圖

在分析多水平縫隙對目標載體RCS的影響時,由于受到散射源相干原理的影響,每一種組合的散射場強度在矢量疊加時的相位差可能是不同的,所以應(yīng)先將平行多縫隙組進行組合,分別討論每一個組合的散射場強度對目標載體RCS的影響。故將c1、c2、c3進行組合,設(shè)Ea為c1、c2、c3組合的散射場強度、Eb為c1、c2組合的散射場強度、Ec為c1、c3組合的散射場強度、Ed為c2、c3組合的散射場強度。

3.2.1 等間距等長度三列平行縫隙透波載體RCS仿真分析

載體模型如圖6所示,設(shè)三列縫隙間距相等且t1=t2=200mm;縫隙寬度m=10mm,c1、c2、c3對應(yīng)的縫隙長度L1=L2=L3=1000mm;電磁波入射頻率為3GHz,波長λ=100mm,入射方位角度為φ。對三列平行縫隙透波載體與不含縫隙的透波載體進行RCS數(shù)值仿真,結(jié)果如圖7所示。

圖7 等間距等長度三列縫隙透波載體RCS數(shù)值仿真對比圖

對于三列等間距等長度平行縫隙而言,根據(jù)式(4)可簡化得

(6)

式(6)取最大值時,cos△φ1=1,再由式(3)可得

(7)

式中,N為自然數(shù)并對應(yīng)RCS曲線中波峰的位置序號,t為兩列縫隙之間的距離。隨著電磁波入射角度的變化,對應(yīng)的RCS曲線取波峰值時,即經(jīng)矢量疊加散射場強度Ea取最大值時,sinφ分別取0、0.25、0.5、0.75、1,對應(yīng)入射方位角φ分別取0°、14.5°、30°、48.6°、90°;同理可得,由于相位差相同的原因,經(jīng)矢量疊加散射場強度Eb、Ed取最大值時入射方位角φ的取值與Ea時的相同;同理可得,經(jīng)矢量疊加散射場強度Ec取最大值時,sinφ分別取0、0.125、0.25、0.375、0.5、0.625、0.75、0.875、1,對應(yīng)入射方位角φ分別取0°、7.2°、14.5°、22°、30°、38.7°48.6°、61°、90°。

將理論分析與圖7的仿真結(jié)果進行對比,可以發(fā)現(xiàn):①當入射方位角φ為0°與7.2°時,目標載體發(fā)生鏡面反射,此時,縫隙散射場淹沒于鏡面反射中,入射方位角10°以內(nèi)的3個波峰都是由于目標載體的鏡面反射所引起的;②當入射方位角φ為14.5°、30°、48.6°時,RCS數(shù)值曲線出現(xiàn)明顯波峰,此時波峰的出現(xiàn)是三列縫隙散射場的耦合效應(yīng)所引起的,與其它波峰相比,這些角度的波峰具有幅值較高,覆蓋角度范圍較廣的特點;③當入射方位角φ為22°、38.7°、61°時RCS數(shù)值曲線出現(xiàn)明顯波峰,此時波峰的出現(xiàn)是c1、c3兩列縫隙散射場的耦合效應(yīng)所引起的;④當入射方位角φ接近90°時,由于電磁波入射方向與透波載體平面所構(gòu)成的角度較小,載體棱邊的邊緣、尖頂繞射效應(yīng)已不可忽略并構(gòu)成了新的散射源,此時出現(xiàn)一個覆蓋角度范圍極廣的波峰,此時波峰出現(xiàn)的原因是三列平行縫隙與載體棱邊、尖角共同的耦合效應(yīng)所引起的。

3.2.2 等間距不同長度三列平行縫隙透波載體RCS仿真分析

載體模型如圖6所示,設(shè)三列縫隙間距相等且t1=t2=200mm;縫隙寬度m=10mm,縫隙長度L1=700mm、L2=1000mm、L3=500mm;電磁波入射頻率為3GHz,波長λ=100mm,入射方位角度為φ。對三列平行縫隙透波載體進行RCS數(shù)值仿真,結(jié)果如圖8所示。

圖8 等間距不等長度三列縫隙透波載體RCS數(shù)值仿真對比圖

將已設(shè)參數(shù)代入式(4)可得

Ea=E1ejφ1(1+ae-jΔφ1+bejΔφ1)

(8)

式中,a=L3/L2=0.5、b=L1/L2=0.7,但是由于式(8)中參數(shù)a、b的取值對于Ea取最大值時△φ1的取值沒有影響,影響的只是Ea的最值大小,所以等間距不同長度的三列縫隙與等間距同長度的三列縫隙對于目標載體在RCS波峰位置的影響上是相同的,在這種情況下不同的只有RCS峰值的幅度。

圖8是等間距不同長度的三列縫隙與等間距同長度的三列縫隙對于目標載體在RCS影響的對比圖,可以發(fā)現(xiàn)兩條RCS曲線出現(xiàn)的角度是一樣的,但是由于c1、c3兩列縫隙的長度都有減少,c2縫隙的長度并未減少的原因,Ea受影響的程度小于Ec受影響的程度,從圖8中可以發(fā)現(xiàn),因c1、c2、c3三列縫隙射場耦合效應(yīng)所引起的波峰處的RCS差值小于因c1、c3兩列縫隙射場耦合效應(yīng)所引起的波峰處的RCS差值,進一步證明了理論的正確性。

3.2.3 不同間距等長度三列平行縫隙透波載體RCS仿真分析

載體模型如圖6所示,設(shè)三列縫隙間距相等且t1=200mm、t2=150mm;縫隙寬度m=10mm,縫隙長度L1=L2=L3=1000mm;電磁波入射頻率為3GHz,波長λ=100mm,入射方位角度為φ。對三列平行縫隙透波載體與僅有c1、c3兩列平行縫隙透波載體進行RCS數(shù)值仿真,結(jié)果如圖9所示。

圖9 不等間距等長度三列縫隙透波載體RCS數(shù)值仿真對比圖

將已設(shè)參數(shù)代入式(4)可得

Ea=E1ejφ1(1+e-jpΔφ1+ejqΔφ1)

(9)

式中,p=1、q=t1/t2=4/3。經(jīng)由式(3)、式(8)計算,同理可得,經(jīng)矢量疊加散射場強度Ea取最大值時,sinφ分別取0、1,對應(yīng)入射方位角φ分別取0°、90°;經(jīng)矢量疊加散射場強度Eb取最大值時,sinφ分別取0、0.25、0.5、0.75、1,對應(yīng)入射方位角φ分別取0°、14.5°、30°、48.6°、90°;經(jīng)矢量疊加散射場強度Ec取最大值時,sinφ分別取0、1/3、2/3、1,對應(yīng)入射方位角φ分別取0°、14.5°、30°、48.6°、90°;經(jīng)矢量疊加散射場強度Ed取最大值時,sinφ分別取0、1/7、2/7、3/7、4/7、5/7、6/7、1,對應(yīng)入射方位角φ分別取8.25°、16.6°、25.4°、34.8°、45.6°、59.5°、90°。

將理論分析與圖9的仿真結(jié)果進行對比驗證,可以發(fā)現(xiàn):①經(jīng)矢量疊加散射場強度Eb、Ec應(yīng)出現(xiàn)RCS波峰的角度與經(jīng)矢量疊加散射場強度Ed出現(xiàn)波谷的角度相臨近,所以在這些角度上載體的RCS曲線并未出現(xiàn)RCS波峰;②三列平行縫隙載體出現(xiàn)RCS波峰的角度與僅有c1、c3兩列平行縫隙透波載體出現(xiàn)RCS波峰的角度與幅值都基本相同,進一步說明了此情況下透波載體的RCS主要受矢量疊加散射場強度Ec所影響。

4 結(jié)論

鑒于隱身飛行器表面弱散射源對其RCS的影響日益增加與透波材料在隱身飛行器中使用的廣泛性,以透波平板為載體,分析并驗證了不同情況下單縫隙與平行多縫隙對透波材料RCS造成的影響,得到結(jié)論如下:

1)與純金屬載體相比,當縫隙透波載體受到電磁波照射時,其RCS因入射電磁波頻率、極化方式改變而發(fā)生變化的范圍較小,雖然在不同情況下的仿真結(jié)果使用dB值計算時數(shù)值差異較大,但是由于載體材料的透波特性,其RCS真值很小,所以在相同情況下,其實際RCS增量遠小于縫隙對純金屬載體的RCS增量[18]。

2)將電磁場的相干原理與矢量疊加原理相結(jié)合,可以得到多列平行縫隙對透波載體RCS造成的影響。其RCS曲線上,波峰位置受縫隙的間隔影響、波峰幅值受每一列縫隙的長度影響;等間距等長度的多列平行縫隙對目標載體RCS的影響最大。