分析物理光學(xué)法在吸收體散射特性中的應(yīng)用

1、分析物理光學(xué)法在吸收體散射特性中的應(yīng)用    關(guān)鍵詞： 物理光學(xué)法；吸收體特性；散射場(chǎng)計(jì)算；吸收體散射0 引言 漸變微波吸收體由部分涂覆介質(zhì)的正四棱錐導(dǎo)體周期排列組成，由于其后向散射小，越來越被廣泛運(yùn)用在星載微波輻射計(jì)定標(biāo)系統(tǒng)和微波暗室中。由于其電尺寸大，錐齒間耦合強(qiáng)，很難用常規(guī)的數(shù)值方法直接計(jì)算其散射場(chǎng)。 對(duì)于電大尺寸的導(dǎo)體目標(biāo)散射體，一般采用物理光學(xué)法、幾何光學(xué)法、物理繞射法和幾何繞射法等數(shù)值方法計(jì)算其散射場(chǎng)。當(dāng)電大尺寸導(dǎo)體目標(biāo)涂覆吸波材料后，其散射場(chǎng)的計(jì)算將變得更復(fù)雜。根據(jù)漸變微波吸收體周期性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了簡(jiǎn)化和快速計(jì)算，運(yùn)用等效原理，首先在介質(zhì)的

2、表面采用Coro-na提出的等效電磁流公式給出等效電磁流，再結(jié)合物理光學(xué)法和天線陣列分析技術(shù)計(jì)算出整個(gè)漸變吸收體在任意方向的散射場(chǎng)。該方法解決了漸變吸收體因電尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、錐齒間電磁耦合強(qiáng)而難于直接用數(shù)值方法直接計(jì)算其散射場(chǎng)的難題，運(yùn)算速度快，效率高，為漸變吸收體的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 1 物理光學(xué)法 物理光學(xué)的理論是用散射體表面的感應(yīng)電流來代替散射體本身，通過其表面的感應(yīng)場(chǎng)的近似和積分來求出散射場(chǎng)。因?yàn)楦袘?yīng)場(chǎng)是相對(duì)有限的，散射場(chǎng)也就同樣有限，這樣轉(zhuǎn)變了當(dāng)散射體為平表面和單曲表面時(shí)出現(xiàn)的無限大的問題。物理光學(xué)的出發(fā)點(diǎn)是Stratton-Chu積分方程。這些表達(dá)式對(duì)于一個(gè)相對(duì)封閉的散射表面進(jìn)

3、行計(jì)算時(shí)準(zhǔn)確的，但是Stratton-Chu積分方程的積分項(xiàng)中項(xiàng)場(chǎng)是總場(chǎng)，包含了入射和散射的兩個(gè)場(chǎng)分項(xiàng)。 物理光學(xué)法同時(shí)也是一種高頻近似的方法。當(dāng)散射體遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的時(shí)候，物理光學(xué)法將切向平面近似思想用在積分總場(chǎng)上。也就是假定表面電流等于在積分表面為理想光滑平面的電流值。對(duì)于任何物體和表面材料都可以進(jìn)行這一近似處理?？偨Y(jié)的看物理光學(xué)法有以下幾個(gè)特征： 1）物理光學(xué)法的計(jì)算。這一過程是由入射場(chǎng)求出表面電流的密度，然后由密度求出位函數(shù)，在求散射場(chǎng)。在具體的計(jì)算中，一般能夠嚴(yán)格的按照積分要求進(jìn)行計(jì)算的情況很少，大多數(shù)都需要采取一些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行近似將積分簡(jiǎn)化。 2）散射體的照明區(qū)，也就是電流密度不等于

4、零。在散射體陰影的區(qū)域，入射場(chǎng)不為零，而電流密度為零。因此物理光學(xué)在研究吸收體散射的時(shí)候，一般不考慮陰影區(qū)的影響。 3）采用切平面進(jìn)行近似的時(shí)候，不需要假定散射體是光滑表面，且鏡面反射點(diǎn)的主要曲率半徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，因此不能考慮棱邊對(duì)散射的影響，也不能計(jì)算因物體不連續(xù)而產(chǎn)生的影響。所以，物理光學(xué)常常只能在散射的近軸方向上才能達(dá)到一定的精度。 4）物理光學(xué)法是一種求解吸收體散射問題的常用方法，因?yàn)槠洳恍枰獙?duì)焦散和陰影邊界進(jìn)行特殊的處理。物理光學(xué)解決散射體問題時(shí)，包括的表面積分可以通過將其表面離散為一些多變形單元，再利用數(shù)學(xué)積分的處理辦法將問題簡(jiǎn)化解決。 2 對(duì)吸收體的特征分析 在物理光學(xué)法的研究對(duì)象

5、中，吸收體的結(jié)構(gòu)往往是不規(guī)則的形狀，這時(shí)可以通過對(duì)其表面結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化來實(shí)現(xiàn)對(duì)其散射場(chǎng)的研究。這時(shí)吸收體的表面可以通過細(xì)化成為近似的正四棱錐導(dǎo)體，其分別都為二維周期性特征，因此可以把它們簡(jiǎn)化為由涂覆介質(zhì)的導(dǎo)體三角板和涂覆介質(zhì)的導(dǎo)體二面反射器單元按周期的組合。單個(gè)涂覆三角板和二面角的結(jié)構(gòu)，涂覆的介質(zhì)為消耗介質(zhì)。其主要的參數(shù)有，d為介質(zhì)的厚度，2是二面角的夾角，l是兩個(gè)三角面的公共變長(zhǎng)度，a是相臨棱錐定點(diǎn)的距離，對(duì)于一個(gè)正四棱錐，l=a。 這時(shí)對(duì)吸收體的散射特性的研究就得到了簡(jiǎn)化，成為均勻的平面陣輻射問題。這時(shí)，對(duì)吸收體散射的研究就會(huì)和導(dǎo)體漸變散射體散射分析方法相同，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的周期特征，在沿著某個(gè)

6、軸向的負(fù)方向上射入電磁波，這時(shí)只要計(jì)算涂覆介質(zhì)的導(dǎo)體二面角和三角斜面單元的散射場(chǎng)，在運(yùn)用矩陣技術(shù)進(jìn)行分析，既可以得到各個(gè)方向上的散射總場(chǎng)。此時(shí)，二面角陣和三角面陣地陣元位置為l的中心。 3 對(duì)吸收體散射場(chǎng)的計(jì)算 吸收體在平面的電磁波入射時(shí)，涂覆有吸波材料的涂層的材料表面就會(huì)形成一定的散射。一般的吸收體的上面的部分是涂層介質(zhì)，下部為導(dǎo)體或者基礎(chǔ)材料。其中一般的參數(shù)為：i表示電磁波入的射角；r就是反射角；r是介質(zhì)的相對(duì)的介電常數(shù)；r是介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率；n是表面法線方向的單位矢量；i是入射平面波的入射線的單位矢量；ei/和ei分別是入射波平行極化和垂直極化方向，er/和er分別是反射波平行極化和垂直

7、極化方向。利用這些參數(shù)在平面電磁波入射下，可以按照電磁流表達(dá)式形成計(jì)算公式，并進(jìn)行計(jì)算得出吸收體的散射場(chǎng)特性。 一般在計(jì)算這樣的吸收體散射場(chǎng)，并研究其特性的時(shí)候，計(jì)算方法就和涂覆了的導(dǎo)體板是相同的，不同的地方時(shí)在計(jì)算中一定要考慮多次反射的對(duì)散射過程的影響。因此在計(jì)算漸變性吸收體的散射場(chǎng)的時(shí)候，一定要進(jìn)行分解計(jì)算，即將組成漸變體或者吸收體表面的單元分別就算，然后再利用疊加原理形成最終的吸收體散射場(chǎng)。        最佳介質(zhì)厚度時(shí)多個(gè)漸變吸收體RCS的計(jì)算根據(jù)損耗介質(zhì)參數(shù)對(duì)涂敷導(dǎo)體二面角RCS的影響而設(shè)定好介質(zhì)參數(shù)后，

8、利用天線陣列技術(shù)就可以算出相應(yīng)吸收體的RCS.設(shè)組成漸變吸收體的二面角尺寸、入射波、相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率，取h=6.0mm，整個(gè)漸變吸收體尺寸為11.88×11.88，對(duì)于大尺寸的吸收體，已經(jīng)很難用HFSS計(jì)算其RCS，而采用本文的分析和計(jì)算方法，可以使計(jì)算量大大減少，使快速計(jì)算整個(gè)吸收體的RCS成為可能。從計(jì)算的結(jié)果可以看出，隨著的變化，漸變吸收體的RCS呈現(xiàn)周期性的變化，極小值出現(xiàn)在=5°、10°、15°、20°、25°和30°等。在設(shè)計(jì)漸變散射體過程中，最關(guān)心的是后向散射場(chǎng)的大小，要改變后向散射場(chǎng)的值，在設(shè)計(jì)吸收體

9、的過程中，可以通過調(diào)節(jié)介質(zhì)的厚度、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等來達(dá)到使吸收體的RCS較小的目的。 4 物理光學(xué)法對(duì)吸收體散射分析的具體做法 首先，涂覆介質(zhì)的大尺寸導(dǎo)體二面角單元的散射設(shè)電大尺寸局部涂覆介質(zhì)的導(dǎo)體二面角結(jié)構(gòu)，尺寸為2=180°,a=80mm，l=40mm，d=1.155mm，介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為r=2-2j，相對(duì)磁導(dǎo)率為r=4-4j，入射平面波頻率為12GHz，電場(chǎng)分量為Ei=E0ex，波沿-ez方向傳播。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和用軟件HFSS仿真所得的雙站RCS，圖中實(shí)線為在=0°時(shí)，用軟件HFSS仿真所得的結(jié)果隨變化的關(guān)系曲線，虛線為計(jì)算的結(jié)果隨變化的關(guān)系曲線。從計(jì)算的結(jié)果可

10、以看出，計(jì)算的結(jié)果和用仿真軟件計(jì)算的結(jié)果基本吻合。因此，對(duì)于局部涂覆吸波材料的電大尺寸導(dǎo)體散射目標(biāo)，其散射場(chǎng)可用物理光學(xué)法結(jié)合介質(zhì)表面的等效電磁流表達(dá)式計(jì)算。 其次，涂覆導(dǎo)體二面角單元組成的一維陣列的散射組成一維陣列散射體的涂覆有耗介質(zhì)的導(dǎo)體二面角單元的尺寸以及入射波的頻率和入射方向與前面的算的例子相同，取11個(gè)陣元。此時(shí)一維陣列散射體的電尺寸較大，很難用數(shù)值計(jì)算方法和HFSS軟件直接計(jì)算其散射場(chǎng)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)周期性特點(diǎn)，用物理光學(xué)法計(jì)算每個(gè)陣元的散射場(chǎng)，再利用一維陣列分析技術(shù)計(jì)算出整個(gè)散射體的散射場(chǎng)。其雙站RCS隨角度變化的曲線。從研究中可以看出，在 Oslash;=0°時(shí)，隨著 E

11、grave;的變化，一維陣列的RCS出現(xiàn)較大的變化，這是由于在不同的 Egrave;角方位上，每個(gè)陣元之間的相位差不同引起的。 綜合的看，吸收體的散射最終都要進(jìn)行整合，其整合包括二面角單元和三角面單元。在對(duì)吸收體的散射特性的研究中，假設(shè)，利用物理光學(xué)法將組成漸變吸收體的局部涂覆二面角單元的結(jié)構(gòu)尺寸為2粒琹介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為r，相對(duì)磁導(dǎo)率為r，設(shè)入射波沿-ez方向入射，極化方向?yàn)镋i。在計(jì)算中可以任意取n×n個(gè)錐齒周期性排列組成的吸收體。此時(shí)整個(gè)漸變吸收體的電尺寸很大，已經(jīng)不能用數(shù)值計(jì)算方法和HFSS軟件直接計(jì)算其散射場(chǎng)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把整個(gè)吸收體的散射簡(jiǎn)化成兩個(gè)涂覆介質(zhì)二面角陣和四

12、個(gè)三角面陣的散射組合，其陣元位置坐標(biāo)形成獨(dú)立的散射單元。根據(jù)電磁波的極化方向，二面角陣元位置坐標(biāo)會(huì)出現(xiàn)兩種不同的入射波，即入射波為TE波或TM波；三角面陣元位置坐標(biāo)也會(huì)出現(xiàn)這樣相同的情況，即入射波為TE波或入射波為TM波。 針對(duì)不同的入射波，都要按照相同的方式進(jìn)行計(jì)算：1）利用物理光學(xué)法算出每個(gè)陣元的散射場(chǎng)；2）利用陣列分析技術(shù)計(jì)算出整個(gè)漸變體在某一方向的散射總場(chǎng)。這時(shí)往往最關(guān)心的是后向散射場(chǎng)，在此主要研究在頻率給定條件下，介質(zhì)厚度對(duì)整個(gè)不規(guī)則吸收體散射特性的影響。吸收體的散射特性會(huì)隨著介質(zhì)厚度d變化形成一個(gè)固定的函數(shù)曲線。當(dāng)入射波的頻率為一個(gè)固定的值的時(shí)候，吸收體的散射特性隨著表面介質(zhì)厚度變

13、化而變化，在某處出現(xiàn)極小值，然后數(shù)值隨著d的增大而增大，當(dāng)d達(dá)到某個(gè)峰值后，散射特性會(huì)隨d的增加而轉(zhuǎn)為變小。因此在研究吸收體散射特性的時(shí)候，有三個(gè)主要的因素：即吸收體的結(jié)構(gòu)、入射波的頻率和涂覆介質(zhì)的厚度，只有綜合這三個(gè)要素采用更好的利用物理光學(xué)法來對(duì)吸收體散射特性進(jìn)行合理而準(zhǔn)確的研究，且得出的結(jié)論也是比較準(zhǔn)確的。 5 總結(jié) 當(dāng)局部涂覆吸波材料的導(dǎo)體的電尺寸較大時(shí)，若采用低頻數(shù)值計(jì)算方法直接計(jì)算其散射場(chǎng)，計(jì)算量將很大，計(jì)算速度慢，甚至無法計(jì)算，因此應(yīng)改用高頻法近似計(jì)算。而吸收體的特征就是在反射過程中因?yàn)楸砻娴淖兓蛘咄繉拥挠绊懚鴮?duì)散射形成重要的影響。要對(duì)其進(jìn)行散射進(jìn)行研究并得到具體的參數(shù)是一件十分困難的事。為了解決這一問題，往往利用物理光學(xué)法來對(duì)其進(jìn)行研究，將散射進(jìn)行細(xì)部分解，并進(jìn)行積分計(jì)算。然后再利用輔助方法進(jìn)行整合，這樣就得到了比較理想的散射場(chǎng)結(jié)論，達(dá)到了吸收體散射特性的表達(dá)目