基于垂直鏡面RCS減縮的周期結構彎曲性能探究及設計*

王利云，張國瑞，周佩珩

（電子科技大學 電子科學與工程學院 國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心，四川 成都 610000）

0 引 言

隨著科學技術的發展，軍事、民用設備和系統的自動化、電子化水平不斷提高，電磁環境日趨復雜。RCS減縮作為提高目標生存能力和突防能力的有效手段，是世界各國重點開發的技術[1-3]。

目前，超材料技術越來越多地應用于RCS減縮領域。文獻[4-6]把超材料加載于微帶天線貼片周圍，實現了天線RCS減縮；文獻[7-8]研究了超材料在波導縫隙天線RCS減縮中的作用。國內外研究大量集中在平面目標的RCS減縮上，隨著技術的發展，要求超材料能夠靈活加載于特殊外形的目標體，而簡單均勻結構超材料加載到曲面上會出現減縮性能不穩定的問題。目前，曲面RCS減縮主要依賴于復雜漸變單元圖形[9-10]，基于遺傳算法，通過大量的計算、優化，設計出復雜的漸變圖形，存在較大的設計、制作困難。在眾多超材料中，平面型周期結構由于簡單結構、性能優良而受到各國科研工作者的廣泛關注[11-12]。這種結構由周期性導電圖案、介質層和金屬底板構成，可以通過調節形狀和尺寸參數，獲得所需工作頻段內的特殊性能。本文主要探究了正方形周期結構在彎曲狀態下、電磁波垂直入射情況下的RCS性能變化趨勢，初步總結了彎曲狀態下正方形周期結構RCS的性能變化規律及其原因，并提出了一種在彎曲狀態下保持RCS性能相對穩定的方環周期結構。

1 主要原理

定量描述目標散射強弱的物理量是目標對入射雷達波呈現的有效散射截面積，通常簡稱為目標的雷達散射截面或者雷達截面（Radar Cross Section）。它是目標的一種假象面積，一般用符號σ表示，單位為m2。雷達散射截面可表示為：

式中Ei、Hi分別表示入射雷達波在目標處的電磁場強度，Es、Hs表示目標散射波在雷達處的電磁場強度，R為目標到雷達天線的距離。當距離R趨于無窮大時，能夠滿足遠場條件，此時照射在目標體上的雷達入射波和雷達處的散射波可近似于平面波。

為了便于理解和計算，雷達散射截面積用式（2）表示，單位為dBsm：

本文主要探究了彎曲目標體的單站RCS，因此對于目標體在某一頻率對入射電磁波的RCS減縮值，用加載周期結構材料后的該頻率單站RCS值減去該頻率PEC的單站RCS值表征，即：

這里假定目標體為圓柱體上對應一定弧度的曲面，用邊緣處切線與水平面的夾角θ來定義目標體的彎曲程度，如圖1所示。

圖1 目標體彎曲程度示意

2 設計仿真

本文主要對正方形、方環兩種周期結構進行了彎曲狀態下RCS減縮性能和斜入射電場分布的仿真。利用CST仿真軟件對上述兩種結構進行仿真，結構如圖2所示。上層為導電圖案，中間為介質層，底層為連續完美電導體（PEC）。結構周期p=15 mm，圖案尺寸l1=9 mm，l2=14 mm，b=8 mm，介質層材料為硅橡膠，相對介電常數為3.3，損耗角正切為0.007 6，相對磁導率為1，厚度為3 mm，方阻R1=130 Ω，R2=50 Ω。

圖2 仿真結構周期單元

電磁波入射到彎曲目標體上，可近似通過結構單元斜入射情況來進行分析。如圖3所示，斜入射情況下，由于曲面不同位置電磁波到達結構表面存在路程差，導致圖案層電場分布與垂直入射電場分布存在差異。

圖3 電磁波斜入射示意

圖4 、圖5分別為正方形周期結構在TE、TM極化方式下不同彎曲程度的△RCS曲線?？梢钥吹?，正方形結構在未彎曲時的有效帶寬為9.5～16.4 GHz；在TE波入射下，當彎曲角度為10°時，對電磁波的RCS減縮幾乎全部降低到-10 dB以下，僅在10 GHz左右減縮值達到-10 dB；隨著彎曲程度的不斷增加，減縮效果不斷變差，在很窄的頻段內減縮值達到-10 dB以上。TM波入射情況下也是如此，當彎曲角度為10°時，14.2～16.5 GHz內減縮值可達到-10 dB；彎曲角度增加后，減縮效果變差。

圖4 正方形結構TE極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖5 正方形結構TM極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖6 為CST軟件中正方形結構在垂直入射和斜入射情況下諧振點的電場分布圖?？梢钥闯?，垂直入射下，電場集中在圖案層的邊緣處。TE波斜入射時，電場主要集中在圖案的4個角，且強度也存在差異。TM波斜入射時，電場主要集中在圖案層的一端，且相鄰單元邊緣沒有電荷聚集。電場的這種不均勻分布破壞了原有的諧振條件，造成了二次散射，使得正方形結構在斜入射或彎曲狀態下的RCS減縮性能變差。

圖6 正方形結構在垂直入射和斜入射情況下諧振點的電場分布

圖7、圖8分別為方環結構在TE、TM極化方式下不同彎曲程度的△RCS曲線?？梢钥吹剑_口環結構在未彎曲時，在10.4～16.4 GHz RCS減縮可達到-10 dB以上；在TE波入射下，當彎曲角度為10°和20°時，在原頻段內仍可保持-10 dB以上的減縮；彎曲角增加到30°、40°時，帶寬略有減小。TM波入射下，10°彎曲角減縮保持穩定；隨著彎曲角度的增加，帶寬略有減小，但總體性能保持穩定。為了更好地體現結構的減縮性能，選取PEC與方環結構在TE極化波和TM極化波入射下11.9 GHz處雙站RCS對比曲線，如圖9所示。從曲線可以看出，不論是TE極化波還是TM極化波，在5°～175°RCS減縮都能達到-10 dB以上。

圖7 方環結構TE極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖8 方環結構TM極化方式下不同彎曲程度△RCS曲線

圖10 （a）為設計的方環結構在垂直入射情況下的表面電流分布圖。可以看到，方環結構的表面電流并非沿著平行于電場方向的邊，而是在垂直于入射波電場方向的邊。感生電場主要集中在圖案的邊緣，圖10（b）、圖10（c）和圖10（d）為CST軟件中方環結構在斜入射情況下諧振點的電場分布圖。TE和TM波斜入射時，電場分布與垂直入射大致相同，集中在圖案邊緣，使得方環結構在斜入射或彎曲狀態下的RCS減縮性能穩定。

圖9 PEC與方環結構在TE極化波和TM極化波入射下11.9 GHz處的雙站RCS對比曲線

圖10 方環結構在垂直入射和斜入射情況下諧振點的表面電流和電場分布

3 結 語

本文利用CST軟件對正方形和方環結構在垂直入射、斜入射場分布以及不同彎曲程度下的RCS減縮進行對比分析，發現正方形結構在斜入射或彎曲狀態下由于同相位面的電磁波到達結構表面存在路程差，導致場分布不均勻，破壞了原有的諧振條件而造成二次散射，致使減縮效果變差。而設計的方環結構在斜入射或彎曲狀態下場分布與垂直入射時大致相同，分別在TE、TM兩種極化波入射下，在11.7～15.4 GHz可以保證-10 dB以上的RCS減縮，使得結構在斜入射或彎曲狀態下減縮效果穩定。

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