等離子體柱陣列應用于目標隱身的可行性分析

程 立，徐延亮，高永芳

（電子工程學院，合肥230037）

0 引 言

等離子體隱身技術是等離子體技術在軍事上的典型應用。經過合理的設計，等離子體的特征參數可滿足特定的需求，使照射至等離子體層上的雷達波一部分被吸收，使返回雷達接收機的能量很少，從而使飛機、導彈、艦艇、坦克等目標的回波大為減弱，達到很好的隱身效果。

目前研究等離子體隱身特性的常用模型是在金屬平板上覆蓋等離子體平板。本文設想了等離子體平板層的一種實現方式——等離子體柱陣列技術。文中利用CST 進行電磁波與等離子體柱陣列相互作用的仿真計算，分析了金屬板覆蓋等離子體柱陣列后的后向散射和雙站散射特性，并與金屬板覆蓋等離子體平板后的散射衰減特性進行了對比，分析了等離子體柱陣列應用于目標隱身的可行性。

1 等離子體柱陣列技術

等離子體隱身技術實現的一般方法是利用等離子體發生器、發生片或者放射性同位素在武器表面形成一層等離子云。采用這種方法有幾個難點：難以在目標表面形成均勻持續的等離子體層（主要是氣流外形結構的影響）；在欺騙對方雷達的同時也會屏蔽自己，影響正常通信等；在外層真空環境中活動的裝備，在其外表形成等離子層的困難很大；低空中一定密度的等離子體不易產生和維持；對開放或半開放目標，等離子體對其上的人員與技術裝備也會有不利的影響；用電弧放電的方法產生等離子體的同時，會產生射頻輻射 （可見光和紫外線），同時等離子體復合時也會產生輻射。這些缺點是等離子體隱身技術遲遲沒能運用到現實中的重要原因。為了克服這些缺點，李毅等人曾研究過閉式等離子體隱身技術。

本文設想了封閉等離子體層的一種實現方式——等離子體柱陣列技術，即以圓柱形腔封閉等離子體形成單根等離子體柱，圓柱等離子體結構以一定方式排列形成陣列，從而得到一個類等離子體平板層結構，其示意圖如圖1 所示。其中，多根等離子體柱緊密平行排列組成一個單層等離子體柱陣列結構。以同樣的方式可以組成多層或交叉的陣列結構，抑或根據實際需求組成所要的結構。

圖1 等離子體柱陣列單層結構示意圖

在實際實驗研究中，等離子體柱可以通過以下方式實現：用圓柱形放電管封閉特定的可實現放電的氣體，采用特制放電裝置，通過在放電管加電從而可在放電管內實現氣體放電，進而產生并形成穩定存在的等離子體。

等離子體與普通吸波材料類似，其吸波性能也與其相對介電常數εr有關。對于圓柱形放電管來說，在無外加磁場時，其產生的是非磁化等離子體。若忽略離子的影響，非磁化等離子體的相對介電常數可寫為：

式中：ω為入射雷達波角頻率；ωpe為等離子體電子振蕩角頻率；v 為等離子體碰撞頻率。

從上式可以看出，等離子體的介電常數與入射波角頻率ω有關，此外，由其自身的電子密度ne與碰撞頻率v 決定，應用時，等離子體的隱身效果還與等離子層厚度d 有關。因此，適當選擇等離子體參數，并實現對參數的控制，即可實現對等離子體隱身效果的控制。在等離子體柱陣列結構中，等離子體的密度可通過調整放電管兩端的電壓進行控制，等離子體的碰撞頻率可通過對放電管內填充的氣體和氣壓進行選擇從而進行控制，等離子體陣列的厚度由放電管的直徑決定。

2 CST Microwave Studio 特點

CST Microwave Studio 是一個快速精確的專用于微波無源器件及天線仿真、分析和設計的軟件包，其應用范圍包括：耦合器、濾波器、環流器、隔離器、諧振腔、平面結構、連接器、電磁兼容、集成電路封裝以及各類天線和天線陣。其顯著特性就是采用了Method on Demand 技術，可以根據不同的問題選擇合適的求解器和網絡類型。

應用CST 研究關于等離子體方面的仿真時，在材料特性中能夠直接選擇Drude 與Gyrotropic 模型來表示非磁化和磁化冷等離子體，構建等離子體模型和描述等離子體參數比較方便，這也是本文選用此軟件作為仿真工具的重要原因。

3 等離子體柱陣列覆蓋金屬板后的散射衰減特性

本小節主要比較相同厚度的等離子體柱陣列和平板覆蓋金屬板后，在不同極化平面波入射時對金屬平板后向散射衰減和雙站散射衰減的差異，分析等離子體柱陣列應用于板狀金屬目標隱身的可行性。

仿真所采用的金屬板長為50cm，寬為30cm，厚度為0.3cm。等離子體柱陣列由九根直徑為3cm的均勻等離子體柱并排組成，等離子體平板為3cm厚的均勻等離子體層。計算中假設柱狀和平板等離子體電子密度均勻，取電子密度Ne＝1×1 017／m3，碰 撞 頻 率 分 別 取vem＝1GHz ，5GHz 和10GHz 。

3.1 后向散射衰減特性

入射平面波沿＋z 方向入射，矢量H平行于y軸的情況為TE 波，矢量E 平行于y 軸的情況為TM波，如圖2 所示。下面分別考察TE 波入射和TM波入射時的后向散射衰減。

圖2 平面波正入射到等離子體覆蓋的金屬板

圖3（a）和（b）分別為TE 波正入射時等離子體柱陣列和平板對金屬板的后向散射衰減，通過對比可看出，兩者衰減差別不是很大。當碰撞頻率較小時，柱陣列覆蓋的衰減帶寬要寬于平板覆蓋的衰減帶寬，如當vem＝5GHz 時，對應－5dB 衰減的頻帶分別為6 ～9GHz 和6.9 ～8.5GHz ；當碰撞頻率較大時，柱陣列的衰減峰值稍微小于平板的衰減峰值，但衰減帶寬要增大。如當vem＝10GHz 時，柱陣列的衰減峰值為－20dB，對應－10dB 的衰減帶寬為6.7 ～8.4GHz ；平板的衰減峰值為－24dB，對應－10dB的衰減帶寬為7 ～8.2GHz 。

圖3（c ）和（d）分別為TM波正入射時等離子體柱陣列和平板對金屬板的后向散射衰減結果，通過對比可看出，柱陣列的衰減明顯大于平板的衰減，并且低頻端出現新的衰減帶。如當碰撞頻率vem＝10GHz 時，柱陣列和平板覆蓋時衰減－5dB 對應的頻帶分別在2.4 ～4GHz ，5.5 ～9GH z 和6.8 ～8.5GHz 。當碰撞頻率vem＝10GHz 時，柱陣列和平板覆蓋時衰減－5dB 對應的頻帶分別在2 ～10GHz 和6 ～10GHz 。

TM波正入射柱陣列覆蓋的金屬板時，其后向散射衰減結果中出現新的衰減帶的原因可能是因為當TM波入射到圓柱狀等離子體時能夠在等離子體表面上發生線性模轉換共振吸收現象，從而增加了新的吸收帶。

通過上面分析可知：

（1）對于TE 波，柱陣列對金屬板的后向散射衰減與平板對金屬板的后向散射衰減性能相差不大。

（2）對于TM波，柱陣列覆蓋金屬板后要增加新的吸收頻帶，其后向散射衰減要明顯好于平板覆蓋金屬板后的后向散射衰減。

圖3 等離子體平板與柱陣列覆蓋金屬板的后向散射衰減值

3.2 雙站散射衰減特性

在分析了等離子體柱陣列和平板對金屬板的后向散射衰減以后，為了增加結論的普適性，下面將研究兩者對金屬平板的雙站散射衰減。利用圖2 坐標系，入射平面波方向在xoz 平面內，且與z 軸成15°夾角，則后向散射方向在與z 軸成－15°的方向上。下面將分別考察TE 波和TM波入射時的雙站散射衰減。

圖4 為在TE 波和TM波入射時，等離子體柱陣列和平板對金屬板的雙站散射衰減。對比圖3 和圖4 可知，對于TE 波和TM波入射的情況，等離子體平板和柱陣列對金屬板的雙站散射衰減特性與上述分析的后向散射衰減特性一致：對于TE 波入射兩者差別不大；對于TM波入射，柱陣列的衰減要明顯大于平板的衰減。

圖4 等離子體平板與柱陣列覆蓋金屬板的雙站散射衰減值

4 結論

通過以上分析可得出以下結論：

（1）對于TE 波，等離子體柱陣列對金屬板的散射衰減與等離子體平板對金屬板的散射衰減相差不大；對于TM波，柱陣列的散射衰減要大于平板散射衰減。

（2）通過分析TE 波入射和TM波入射時等離子體柱陣列和平板對金屬板的后向散射衰減及雙站散射衰減，可以看出利用等離子體柱陣列覆蓋目標實現對目標的散射衰減是完全可行的。

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