Aeronautics and Astronautics , Beijing
100083 , China
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摘 要 :在常规飞行器的各类电磁散射源中 ,缝隙属于弱散射源 ,但对于隐身飞行器 ,缝隙电磁散射不可忽略。为研究飞行器缝隙电磁散射特性 ,在不同极化下 ,将缝隙置于金属平板的对角线 ,削弱金属边缘电磁散射影响。
常规飞行器的表面缝隙主要包括 :起落架舱门、维修舱门等机身表面开口与机身蒙皮结合处构成的缝隙以及蒙皮缝隙等 (如图 1) ,其电磁散射机理为表面几何不连续造成的表面电流不连续。在常规飞行器的雷达散射截面 ( RCS)构成中 ,腔体、角体、光滑金属镜面点、边缘等构成了主体[1] ,缝隙等弱电磁散射源在总体散射中的比重约为几十分之一 ,可以忽略不计。但对于隐身飞行器 ,上述主散射源均采取有效的抑制措施后 ,
收稿日期 :2007211223 ;修订日期 :2008201219基金项目 :国家 973基础研究 (61320)通讯作者 :黄沛霖 peilin_h @buaa. edu. cn
图 1 某常规飞机表面缝隙 Fig1 1 Slits on a conventional aircraft
RCS可以降低十几至几十 dB ,此时缝隙电磁等弱电磁散射源占总体散射的比重大大增加 [224] ,在某些极化和某些姿态角下效果非常明显。因此对于在高隐身飞行器设计中 ,必须考虑缝隙等弱散射源的散射贡献 ,这就需要对缝隙电磁散射特性进行深入研究 [528] ,以此为基础提出合适的减缩方法。
1 研究方法根据已发表的文献 [9215] ,目前研究缝隙电磁散射的主要方法是计算研究 ,主要采用矩量法 (MOM)、多层快速多极子算法 (MLFMA) [10213 ]或时域有限差分方法 (FDTD) [14215 ]。相比之下 ,试验方法成本较高 ,周期较长 ,但在结果准确性、可
缝隙作为研究对象。由于缝隙自身电磁散射较弱 ,因此在测试方案选取的重点是尽量排除金属平板自身和平板边缘电磁散射的影响。当入射电磁波传播方向与金属平板法线方向平行时 ,金属平板将产生高强度镜面反射 ,此时缝隙散射将淹没于其中而无法观测 ,随入射方向的偏移 ,金属平板电磁散射将迅速衰减 ,缝隙散射可以显现 ;此外 ,当入射电磁波传播方向与金属平板任意一条边缘正交时 ,金属边缘会产生较强的电磁绕射 ,也会影响对缝隙电磁散射的测量。
由上述原因 ,采取测试方法如下。将缝隙置于金属平板试件的对角线 (如图 2) ,试件对角线垂直于转台放置 ,在转台旋转过程中 ,电磁波沿水
图 2 单缝隙及多缝隙原理试件 Fig1 2 Single2slit and multi2slit plates
常出现多缝隙平行布置的情况 (如图 1) ,因此还有必要对多缝隙散射特性进行研究。如图 2,三缝隙试件尺寸为 :正方形金属平板边长为 400 mm,缝隙长度 400 mm,缝隙宽度为 1 mm,测试频率 10 GHz。缝隙间距 d取值 20,30,60 mm,三缝隙等间距布置。试件摆放方式与单缝隙试件相同。
2 测试结果及分析
21 1 缝隙电磁散射空间分布
图 3显示了 HH极化下 ,缝隙宽度分别为 1, 5 ,8 ,16 ,20 mm的单缝隙原理试件的 RCS测试结果与同尺寸光滑金属平板的对比。图 4为 VV极化下的对比。观察图 3和图 4,可以发现缝隙电磁散射的空间分布具有以下统计规律 :
(1)在入射角 -15°～15°范围内 ,缝隙电磁散射贡献基本淹没在平板的镜面散射之下 ;
图 3 单缝隙试件电磁散射特性 (HH极化 )
Fig1 3 Electromagnetic scattering characteristics of single2 slit plates (HH polarization)
图 4 单缝隙试验件电磁散射特性 (VV极化) Fig14 Electromagnetic scattering characteristics of single2 slit plates (VV polarization)
(2) -60°～ -15°,15°～60°范围内 ,缝隙板的散射高于光滑金属平板 ,两者间的差值可理解为缝隙自身的电磁散射 ,其散射强度和散射图形状依缝隙宽度、入射电磁场极化方向的不同而发生明显变化 ;
(3) -90°～ -60°,60°～90°范围 ,入射方向接近平行于金属平板 ,此时无论平板上有无缝隙 ,都会发生明显的行波散射 ,一般在 ± 75°左右达到最强。缝隙引起的行波散射一般比无缝金属平板更强 ,在此范围内主要通过比较缝隙板和无缝平板间的散射差异研究缝隙引起的表面波散射。
21 2 单缝隙 RCS随缝隙宽度的变化规律
(1) HH极化
表 1为 HH极化下 ,根据测试曲线图 3得到的单缝隙板试件电磁散射随缝隙宽度的变化规律。单缝隙板试件的电磁散射可理解为包含两部分 :缝隙电磁散射和金属平板电磁散射。测试结果实际为两者之和 ,为得到更准确的缝隙散射贡献 ,应尽量从测试结果中排除其中的金属平板散射贡献。
如采用 σ.(θ1～θ2 )表示入射方位角 θ1～θ2内的 RCS均值 ,则可定义 Δσ.= σ.单缝隙板 (θ1～θ2 )-σ.无缝金属板 (θ1～θ2 )
(1)式中 :Δσ.为单缝隙金属板相对同样尺寸的无缝金属平板的 RCS均值增幅 ,可以以此来反映缝隙在一定角域内的电磁散射强度。将 Δσ.与单缝隙宽度的关系绘制了曲线图 (见图 5),用于分析缝隙电磁散射随缝隙宽度变化的量化规律。
表 1 单缝隙板电磁散射随缝隙宽度变化规律 ( HH极化 ) 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缝隙 -281 581 -271 160
5 mm缝隙 -201 293 -201 290
8 mm缝隙 -181 525 -181 081 16 mm缝隙 -241 237 -171 060 20 mm缝隙 -251 636
-171 512
图 5 缝隙宽度对单缝隙 RCS的影响 (HH极化 ) Fig15 Electromagnetic scattering characteristics effected by width of single2slit (HH polarization)
从图 5中可以发现 :有缝金属平板的散射明显强于无缝金属平板 ,但缝隙宽度的增加并不会引起其电磁散射幅度的线性增加。随缝隙宽度增加 ,缝隙引起的表面波散射先升高后降低 (60°～ 90°内均值 ),但 0°～90°角域内的整体散射增加幅度趋于稳定。在图 3中还可发现缝隙电磁散射随宽度变化的另一个特性 :随缝隙宽度的增加 ,缝隙散射曲线逐渐“变平” ,即在大部分入射角域 (15°～75°)内散射水平逐渐接近。
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