金屬球雙站RCS研究

鄧嘉卿 王艷芳

摘 要：該文對(duì)金屬球的雙站雷達(dá)散射截面進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與解析解吻合較好。在此基礎(chǔ)上分別討論了金屬球涂敷不同介質(zhì)和介質(zhì)厚度對(duì)于金屬球雙站雷達(dá)散射截面減縮的影響。

關(guān)鍵詞：金屬球 雷達(dá)散射截面（RCS） 介質(zhì)

中圖分類號(hào)： TN957 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）02（c）-0-02

目標(biāo)電磁散射特性的研究經(jīng)久不衰，尤其是在現(xiàn)代軍事和許多民用技術(shù)方面進(jìn)入了嶄新的階段。在該研究中，人們習(xí)慣用雷達(dá)散射截面（radar cross section，RCS）來表征目標(biāo)反射雷達(dá)波效率的特征，它是評(píng)價(jià)目標(biāo)電磁散射特性的一個(gè)最基本的參數(shù)。用一個(gè)已知的、精確的RCS定標(biāo)體進(jìn)行相對(duì)標(biāo)定，是測(cè)量求得各目標(biāo)RCS的前提，因此研究標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的電磁散射特性為研究目標(biāo)電磁散射特性提供了理論依據(jù)。同時(shí)它還具有實(shí)踐意義，比如在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，縮減目標(biāo)RCS以及對(duì)其進(jìn)行有效抑制，或者降低雷達(dá)受威脅方向上的RCS，均能使得目標(biāo)的生存幾率大大提高。因此不同量級(jí)的定標(biāo)體RCS值的測(cè)量具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，而其中最有用的定標(biāo)體之一就是金屬球，因此金屬球的RCS以及與之相關(guān)問題的研究，其實(shí)踐意義重大。

1 RSC

RCS是度量雷達(dá)目標(biāo)對(duì)照射電磁波散射能力的物理量，其定義為：?jiǎn)挝涣Ⅲw角內(nèi)目標(biāo)向接收方向散射的功率與從給定方向入射于該目標(biāo)的平面波功率密度之比的4π倍[1-2]。從電磁散射觀點(diǎn)看，雷達(dá)目標(biāo)散射的電磁能量等于目標(biāo)的等效面積與入射功率密度的乘積[2]。平面電磁波的入射能量密度為

（1）

其中：Ei表示入射電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度；η0表示自由空間波阻抗。借鑒天線口徑有效面積的概念，可得

（2）

其中：P表示目標(biāo)截取的總功率；σ表示目標(biāo)等效面積。假設(shè)功率是各向同性均勻地向四周立體角散射，則在距離目標(biāo)R處的目標(biāo)散射功率密度為

（3）

或者

（4）

其中：Es表示場(chǎng)強(qiáng)。由（3）與（4）得

（5）

此式符合RCS的定義。下面定義遠(yuǎn)場(chǎng)RCS，當(dāng)R足夠遠(yuǎn)即趨于無限大時(shí)，照射目標(biāo)的入射波近似為平面波，這時(shí)σ與R無關(guān)，表達(dá)式應(yīng)為

（6）

從雷達(dá)測(cè)量觀點(diǎn)看，RCS 由雷達(dá)方程式推導(dǎo)可得，通常用符號(hào)σ表示，單位是m2，歸一化RCS曲線圖的縱坐標(biāo)為σ/λ2，橫坐標(biāo)為ka = 2πa/λ（a為目標(biāo)特征尺寸），此時(shí)兩維坐標(biāo)都無因次[3-4]。從廣義上來講，在不滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，RCS 的測(cè)量值與測(cè)量距離有關(guān)，這樣可以定義近場(chǎng)RCS。

2 金屬球雙站RCS數(shù)值結(jié)果及相關(guān)問題結(jié)語

金屬球是重要的定標(biāo)體之一，下面計(jì)算并討論金屬球的雙站RCS值，首先假設(shè)平面波頻率為1 GHz，沿-Z方向入射，電場(chǎng)的極化方向沿+X方向，電場(chǎng)強(qiáng)度為1 V/m。

2.1 金屬球RCS

假設(shè)金屬球的球心在直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，半徑為0.135 m，也恰好為0.45λ。使用HFSS軟件計(jì)算金屬球的雙站RCS，并和相應(yīng)的級(jí)數(shù)解對(duì)比如圖1所示，兩者吻合較好，該方法求解結(jié)果可靠，以后算例均用HFSS軟件求解討論。

2.2 涂敷不同介質(zhì)金屬球RCS

半徑為0.135 m的金屬球分別涂覆2 mm的介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)εr分別為7，10，50，相應(yīng)的雙站RCS數(shù)值結(jié)果如圖2所示。由數(shù)值結(jié)果可知，涂敷介質(zhì)后在某些角度存在RCS的減縮，而某些角度RCS反而增加了，且RCS減縮程度并不是完全隨著介電常數(shù)的增大而增大的。例如0 °到30 °左右的范圍內(nèi)，RCS的減縮程度隨著介電常數(shù)的增大而增大；而在80 °附近的位置，涂敷εr=7的介質(zhì)金屬球RCS的減縮最小，其次是涂敷εr=50的介質(zhì)，涂敷εr=10介質(zhì)金屬球的RCS減縮程度最大。為了獲得較大的RCS減縮，可根據(jù)實(shí)際的雷達(dá)位置情況，選擇合適的介質(zhì)進(jìn)行涂敷。

2.3 涂敷不同厚度介質(zhì)金屬球RCS

半徑為0.135 m的金屬球涂敷εr=7的介質(zhì)，不同厚度時(shí)的雙站RCS如圖3所示。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，RCS并不是隨著介質(zhì)厚度的增加而減小的。例如在介質(zhì)厚度為50 mm時(shí)，RCS幾乎在所有的方向上都大于沒有涂敷介質(zhì)時(shí)的情況。而且，涂敷不同厚度的介質(zhì)，可以在相應(yīng)角度的位置獲得最大的RCS減縮，但很難在所有的方向均實(shí)現(xiàn)減縮。表1列舉了金屬球涂敷不同厚度介質(zhì)獲得RCS最大減縮值及其相應(yīng)的位置，以及在全向上RCS減縮值的統(tǒng)計(jì)方差?？梢娡糠蠛穸葹? mm時(shí)RCS減縮值在各個(gè)方向上的變化最為平緩，厚度為30 mm時(shí)RCS減縮值變化最為劇烈。

半徑為0.135 m的金屬球涂敷εr=10的介質(zhì)，不同厚度時(shí)的雙站RCS如圖4所示。金屬球涂敷不同厚度介質(zhì)獲得RCS最大減縮值及其相應(yīng)的位置，以及在全向上RCS減縮值的統(tǒng)計(jì)方差，如表2所示。由圖4和表2，可得到與金屬球涂敷εr=7的介質(zhì)時(shí)類似的結(jié)論。RCS不是隨著介質(zhì)厚度的增加而減小，而且，涂敷不同厚度的介質(zhì)，可以在相應(yīng)角度的位置獲得最大的RCS減縮，但很難在所有的方向均實(shí)現(xiàn)減縮。涂敷厚度為5 mm時(shí)RCS減縮值在各個(gè)方向上的變化最為平緩，厚度為20 mm時(shí)RCS減縮值變化最為劇烈。

3 結(jié)語

該文對(duì)金屬球的雙站RCS進(jìn)行了研究，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與解析結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上，分別討論了涂敷不同介質(zhì)，以及同一介質(zhì)涂敷不同厚度金屬球的雙站RCS，發(fā)現(xiàn)對(duì)于給定的入射波，每種介質(zhì)都有縮減RCS的最佳涂敷厚度，選擇適當(dāng)?shù)耐糠蠛穸?，可在相?yīng)的角度達(dá)到最好的RCS減縮。

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