金屬球雙站RCS研究

鄧嘉卿 王艷芳

摘 要：該文對金屬球的雙站雷達散射截面進行了數值計算，計算結果與解析解吻合較好。在此基礎上分別討論了金屬球涂敷不同介質和介質厚度對于金屬球雙站雷達散射截面減縮的影響。

關鍵詞：金屬球 雷達散射截面（RCS） 介質

中圖分類號： TN957 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）02（c）-0-02

目標電磁散射特性的研究經久不衰，尤其是在現代軍事和許多民用技術方面進入了嶄新的階段。在該研究中，人們習慣用雷達散射截面（radar cross section，RCS）來表征目標反射雷達波效率的特征，它是評價目標電磁散射特性的一個最基本的參數。用一個已知的、精確的RCS定標體進行相對標定，是測量求得各目標RCS的前提，因此研究標準目標的電磁散射特性為研究目標電磁散射特性提供了理論依據。同時它還具有實踐意義，比如在現代戰爭中，縮減目標RCS以及對其進行有效抑制，或者降低雷達受威脅方向上的RCS，均能使得目標的生存幾率大大提高。因此不同量級的定標體RCS值的測量具有很強的應用價值，而其中最有用的定標體之一就是金屬球，因此金屬球的RCS以及與之相關問題的研究，其實踐意義重大。

1 RSC

RCS是度量雷達目標對照射電磁波散射能力的物理量，其定義為：單位立體角內目標向接收方向散射的功率與從給定方向入射于該目標的平面波功率密度之比的4π倍[1-2]。從電磁散射觀點看，雷達目標散射的電磁能量等于目標的等效面積與入射功率密度的乘積[2]。平面電磁波的入射能量密度為

（1）

其中：Ei表示入射電場強度與磁場強度；η0表示自由空間波阻抗。借鑒天線口徑有效面積的概念，可得

（2）

其中：P表示目標截取的總功率；σ表示目標等效面積。假設功率是各向同性均勻地向四周立體角散射，則在距離目標R處的目標散射功率密度為

（3）

或者

（4）

其中：Es表示場強。由（3）與（4）得

（5）

此式符合RCS的定義。下面定義遠場RCS，當R足夠遠即趨于無限大時，照射目標的入射波近似為平面波，這時σ與R無關，表達式應為

（6）

從雷達測量觀點看，RCS 由雷達方程式推導可得，通常用符號σ表示，單位是m2，歸一化RCS曲線圖的縱坐標為σ/λ2，橫坐標為ka = 2πa/λ（a為目標特征尺寸），此時兩維坐標都無因次[3-4]。從廣義上來講，在不滿足遠場條件下，RCS 的測量值與測量距離有關，這樣可以定義近場RCS。

2 金屬球雙站RCS數值結果及相關問題結語

金屬球是重要的定標體之一，下面計算并討論金屬球的雙站RCS值，首先假設平面波頻率為1 GHz，沿-Z方向入射，電場的極化方向沿+X方向，電場強度為1 V/m。

2.1 金屬球RCS

假設金屬球的球心在直角坐標系原點，半徑為0.135 m，也恰好為0.45λ。使用HFSS軟件計算金屬球的雙站RCS，并和相應的級數解對比如圖1所示，兩者吻合較好，該方法求解結果可靠，以后算例均用HFSS軟件求解討論。

2.2 涂敷不同介質金屬球RCS

半徑為0.135 m的金屬球分別涂覆2 mm的介質，相對介電常數εr分別為7，10，50，相應的雙站RCS數值結果如圖2所示。由數值結果可知，涂敷介質后在某些角度存在RCS的減縮，而某些角度RCS反而增加了，且RCS減縮程度并不是完全隨著介電常數的增大而增大的。例如0 °到30 °左右的范圍內，RCS的減縮程度隨著介電常數的增大而增大；而在80 °附近的位置，涂敷εr=7的介質金屬球RCS的減縮最小，其次是涂敷εr=50的介質，涂敷εr=10介質金屬球的RCS減縮程度最大。為了獲得較大的RCS減縮，可根據實際的雷達位置情況，選擇合適的介質進行涂敷。

2.3 涂敷不同厚度介質金屬球RCS

半徑為0.135 m的金屬球涂敷εr=7的介質，不同厚度時的雙站RCS如圖3所示。由數值計算結果可知，RCS并不是隨著介質厚度的增加而減小的。例如在介質厚度為50 mm時，RCS幾乎在所有的方向上都大于沒有涂敷介質時的情況。而且，涂敷不同厚度的介質，可以在相應角度的位置獲得最大的RCS減縮，但很難在所有的方向均實現減縮。表1列舉了金屬球涂敷不同厚度介質獲得RCS最大減縮值及其相應的位置，以及在全向上RCS減縮值的統計方差。可見涂敷厚度為5 mm時RCS減縮值在各個方向上的變化最為平緩，厚度為30 mm時RCS減縮值變化最為劇烈。

半徑為0.135 m的金屬球涂敷εr=10的介質，不同厚度時的雙站RCS如圖4所示。金屬球涂敷不同厚度介質獲得RCS最大減縮值及其相應的位置，以及在全向上RCS減縮值的統計方差，如表2所示。由圖4和表2，可得到與金屬球涂敷εr=7的介質時類似的結論。RCS不是隨著介質厚度的增加而減小，而且，涂敷不同厚度的介質，可以在相應角度的位置獲得最大的RCS減縮，但很難在所有的方向均實現減縮。涂敷厚度為5 mm時RCS減縮值在各個方向上的變化最為平緩，厚度為20 mm時RCS減縮值變化最為劇烈。

3 結語

該文對金屬球的雙站RCS進行了研究，數值計算結果與解析結果吻合較好。在此基礎上，分別討論了涂敷不同介質，以及同一介質涂敷不同厚度金屬球的雙站RCS，發現對于給定的入射波，每種介質都有縮減RCS的最佳涂敷厚度，選擇適當的涂敷厚度，可在相應的角度達到最好的RCS減縮。

參考文獻

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