Aeronautics and Astronautics , Beijing
100083 , China
)
摘 要 :在常規(guī)飛行器的各類(lèi)電磁散射源中 ,縫隙屬于弱散射源 ,但對(duì)于隱身飛行器 ,縫隙電磁散射不可忽略。為研究飛行器縫隙電磁散射特性 ,在不同極化下 ,將縫隙置于金屬平板的對(duì)角線 ,削弱金屬邊緣電磁散射影響。
常規(guī)飛行器的表面縫隙主要包括 :起落架艙門(mén)、維修艙門(mén)等機(jī)身表面開(kāi)口與機(jī)身蒙皮結(jié)合處構(gòu)成的縫隙以及蒙皮縫隙等 (如圖 1) ,其電磁散射機(jī)理為表面幾何不連續(xù)造成的表面電流不連續(xù)。在常規(guī)飛行器的雷達(dá)散射截面 ( RCS)構(gòu)成中 ,腔體、角體、光滑金屬鏡面點(diǎn)、邊緣等構(gòu)成了主體[1] ,縫隙等弱電磁散射源在總體散射中的比重約為幾十分之一 ,可以忽略不計(jì)。但對(duì)于隱身飛行器 ,上述主散射源均采取有效的抑制措施后 ,
收稿日期 :2007211223 ;修訂日期 :2008201219基金項(xiàng)目 :國(guó)家 973基礎(chǔ)研究 (61320)通訊作者 :黃沛霖 peilin_h @buaa. edu. cn
圖 1 某常規(guī)飛機(jī)表面縫隙 Fig1 1 Slits on a conventional aircraft
RCS可以降低十幾至幾十 dB ,此時(shí)縫隙電磁等弱電磁散射源占總體散射的比重大大增加 [224] ,在某些極化和某些姿態(tài)角下效果非常明顯。因此對(duì)于在高隱身飛行器設(shè)計(jì)中 ,必須考慮縫隙等弱散射源的散射貢獻(xiàn) ,這就需要對(duì)縫隙電磁散射特性進(jìn)行深入研究 [528] ,以此為基礎(chǔ)提出合適的減縮方法。
1 研究方法根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn) [9215] ,目前研究縫隙電磁散射的主要方法是計(jì)算研究 ,主要采用矩量法 (MOM)、多層快速多極子算法 (MLFMA) [10213 ]或時(shí)域有限差分方法 (FDTD) [14215 ]。相比之下 ,試驗(yàn)方法成本較高 ,周期較長(zhǎng) ,但在結(jié)果準(zhǔn)確性、可
縫隙作為研究對(duì)象。由于縫隙自身電磁散射較弱 ,因此在測(cè)試方案選取的重點(diǎn)是盡量排除金屬平板自身和平板邊緣電磁散射的影響。當(dāng)入射電磁波傳播方向與金屬平板法線方向平行時(shí) ,金屬平板將產(chǎn)生高強(qiáng)度鏡面反射 ,此時(shí)縫隙散射將淹沒(méi)于其中而無(wú)法觀測(cè) ,隨入射方向的偏移 ,金屬平板電磁散射將迅速衰減 ,縫隙散射可以顯現(xiàn) ;此外 ,當(dāng)入射電磁波傳播方向與金屬平板任意一條邊緣正交時(shí) ,金屬邊緣會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁繞射 ,也會(huì)影響對(duì)縫隙電磁散射的測(cè)量。
由上述原因 ,采取測(cè)試方法如下。將縫隙置于金屬平板試件的對(duì)角線 (如圖 2) ,試件對(duì)角線垂直于轉(zhuǎn)臺(tái)放置 ,在轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中 ,電磁波沿水
圖 2 單縫隙及多縫隙原理試件 Fig1 2 Single2slit and multi2slit plates
常出現(xiàn)多縫隙平行布置的情況 (如圖 1) ,因此還有必要對(duì)多縫隙散射特性進(jìn)行研究。如圖 2,三縫隙試件尺寸為 :正方形金屬平板邊長(zhǎng)為 400 mm,縫隙長(zhǎng)度 400 mm,縫隙寬度為 1 mm,測(cè)試頻率 10 GHz。縫隙間距 d取值 20,30,60 mm,三縫隙等間距布置。試件擺放方式與單縫隙試件相同。
2 測(cè)試結(jié)果及分析
21 1 縫隙電磁散射空間分布
圖 3顯示了 HH極化下 ,縫隙寬度分別為 1, 5 ,8 ,16 ,20 mm的單縫隙原理試件的 RCS測(cè)試結(jié)果與同尺寸光滑金屬平板的對(duì)比。圖 4為 VV極化下的對(duì)比。觀察圖 3和圖 4,可以發(fā)現(xiàn)縫隙電磁散射的空間分布具有以下統(tǒng)計(jì)規(guī)律 :
(1)在入射角 -15°～15°范圍內(nèi) ,縫隙電磁散射貢獻(xiàn)基本淹沒(méi)在平板的鏡面散射之下 ;
圖 3 單縫隙試件電磁散射特性 (HH極化 )
Fig1 3 Electromagnetic scattering characteristics of single2 slit plates (HH polarization)
圖 4 單縫隙試驗(yàn)件電磁散射特性 (VV極化) Fig14 Electromagnetic scattering characteristics of single2 slit plates (VV polarization)
(2) -60°～ -15°,15°～60°范圍內(nèi) ,縫隙板的散射高于光滑金屬平板 ,兩者間的差值可理解為縫隙自身的電磁散射 ,其散射強(qiáng)度和散射圖形狀依縫隙寬度、入射電磁場(chǎng)極化方向的不同而發(fā)生明顯變化 ;
(3) -90°～ -60°,60°～90°范圍 ,入射方向接近平行于金屬平板 ,此時(shí)無(wú)論平板上有無(wú)縫隙 ,都會(huì)發(fā)生明顯的行波散射 ,一般在 ± 75°左右達(dá)到最強(qiáng)。縫隙引起的行波散射一般比無(wú)縫金屬平板更強(qiáng) ,在此范圍內(nèi)主要通過(guò)比較縫隙板和無(wú)縫平板間的散射差異研究縫隙引起的表面波散射。
21 2 單縫隙 RCS隨縫隙寬度的變化規(guī)律
(1) HH極化
表 1為 HH極化下 ,根據(jù)測(cè)試曲線圖 3得到的單縫隙板試件電磁散射隨縫隙寬度的變化規(guī)律。單縫隙板試件的電磁散射可理解為包含兩部分 :縫隙電磁散射和金屬平板電磁散射。測(cè)試結(jié)果實(shí)際為兩者之和 ,為得到更準(zhǔn)確的縫隙散射貢獻(xiàn) ,應(yīng)盡量從測(cè)試結(jié)果中排除其中的金屬平板散射貢獻(xiàn)。
如采用 σ.(θ1～θ2 )表示入射方位角 θ1～θ2內(nèi)的 RCS均值 ,則可定義 Δσ.= σ.單縫隙板 (θ1～θ2 )-σ.無(wú)縫金屬板 (θ1～θ2 )
(1)式中 :Δσ.為單縫隙金屬板相對(duì)同樣尺寸的無(wú)縫金屬平板的 RCS均值增幅 ,可以以此來(lái)反映縫隙在一定角域內(nèi)的電磁散射強(qiáng)度。將 Δσ.與單縫隙寬度的關(guān)系繪制了曲線圖 (見(jiàn)圖 5),用于分析縫隙電磁散射隨縫隙寬度變化的量化規(guī)律。
表 1 單縫隙板電磁散射隨縫隙寬度變化規(guī)律 ( HH極化 ) Table 1 Electromagnetic scattering characteristics effected by width of single2slit ( HH polarization)
-90°～ -60°及 60°～90° -90°～90° RCS均值 / dBsm RCS均值 / dBsm
200 mm平板 -371 340 -341 070
1 mm縫隙 -281 581 -271 160
5 mm縫隙 -201 293 -201 290
8 mm縫隙 -181 525 -181 081 16 mm縫隙 -241 237 -171 060 20 mm縫隙 -251 636
-171 512
圖 5 縫隙寬度對(duì)單縫隙 RCS的影響 (HH極化 ) Fig15 Electromagnetic scattering characteristics effected by width of single2slit (HH polarization)
從圖 5中可以發(fā)現(xiàn) :有縫金屬平板的散射明顯強(qiáng)于無(wú)縫金屬平板 ,但縫隙寬度的增加并不會(huì)引起其電磁散射幅度的線性增加。隨縫隙寬度增加 ,縫隙引起的表面波散射先升高后降低 (60°～ 90°內(nèi)均值 ),但 0°～90°角域內(nèi)的整體散射增加幅度趨于穩(wěn)定。在圖 3中還可發(fā)現(xiàn)縫隙電磁散射隨寬度變化的另一個(gè)特性 :隨縫隙寬度的增加 ,縫隙散射曲線逐漸“變平” ,即在大部分入射角域 (15°～75°)內(nèi)散射水平逐漸接近。
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