Aeronautics and Astronautics , Beijing
100083 , China
)
摘 要 :在常規(guī)飛行器的各類電磁散射源中 ,縫隙屬于弱散射源 ,但對于隱身飛行器 ,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、維修艙門等機身表面開口與機身蒙皮結(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)飛行器的雷達散射截面 ( RCS)構(gòu)成中 ,腔體、角體、光滑金屬鏡面點、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。但對于隱身飛行器 ,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基金項目 :國家 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)飛機表面縫隙 Fig1 1 Slits on a conventional aircraft
RCS可以降低十幾至幾十 dB ,此時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。因此對于在高隱身飛行器設(shè)計中 ,必須考慮縫隙等弱散射源的散射貢獻 ,這就需要對縫隙電磁散射特性進行深入研究 [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 [9215] ,目前研究縫隙電磁散射的主要方法是計算研究 ,主要采用矩量法 (MOM)、多層快速多極子算法 (MLFMA) [10213 ]或時域有限差分方法 (FDTD) [14215 ]。相比之下 ,試驗方法成本較高 ,周期較長 ,但在結(jié)果準確性、可
縫隙作為研究對象。由于縫隙自身電磁散射較弱 ,因此在測試方案選取的重點是盡量排除金屬平板自身和平板邊緣電磁散射的影響。當入射電磁波傳播方向與金屬平板法線方向平行時 ,金屬平板將產(chǎn)生高強度鏡面反射 ,此時縫隙散射將淹沒于其中而無法觀測 ,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 ,當入射電磁波傳播方向與金屬平板任意一條邊緣正交時 ,金屬邊緣會產(chǎn)生較強的電磁繞射 ,也會影響對縫隙電磁散射的測量。
由上述原因 ,采取測試方法如下。將縫隙置于金屬平板試件的對角線 (如圖 2) ,試件對角線垂直于轉(zhuǎn)臺放置 ,在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中 ,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) ,因此還有必要對多縫隙散射特性進行研究。如圖 2,三縫隙試件尺寸為 :正方形金屬平板邊長為 400 mm,縫隙長度 400 mm,縫隙寬度為 1 mm,測試頻率 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測試結(jié)果與同尺寸光滑金屬平板的對比。圖 4為 VV極化下的對比。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)計規(guī)律 :
(1)在入射角 -15°～15°范圍內(nèi) ,縫隙電磁散射貢獻基本淹沒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 ,其散射強度和散射圖形狀依縫隙寬度、入射電磁場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 ,此時無論平板上有無縫隙 ,都會發(fā)生明顯的行波散射 ,一般在 ± 75°左右達到最強。縫隙引起的行波散射一般比無縫金屬平板更強 ,在此范圍內(nèi)主要通過比較縫隙板和無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。測試結(jié)果實際為兩者之和 ,為得到更準確的縫隙散射貢獻 ,應盡量從測試結(jié)果中排除其中的金屬平板散射貢獻。
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.無縫金屬板 (θ1～θ2 )
(1)式中 :Δσ.為單縫隙金屬板相對同樣尺寸的無縫金屬平板的 RCS均值增幅 ,可以以此來反映縫隙在一定角域內(nèi)的電磁散射強度。將 Δσ.與單縫隙寬度的關(guān)系繪制了曲線圖 (見圖 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于無縫金屬平板 ,但縫隙寬度的增加并不會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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