周期性结构的时频散射特性研究

发布时间：2020-10-09 21:36

　　雷达隐身技术是现代战争中隐蔽和突防的重要技术手段,而雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)又是雷达隐身技术的关键参数。如何更有效地降低目标的雷达散射截面,增强隐身性能,以及如何更准确地探测具有低雷达散射截面的目标,增强反隐身手段,都涉及到对目标时域和频域散射特性的研究。本文旨在研究周期性结构的频域和时域散射特性,通过对周期性结构时、频域散射特性的分析,揭示周期性结构的散射机理,探索利用结构的周期性缩减雷达散射截面、以及利用结构不同部分的时域响应探测低散射周期性目标的方法。本文工作为提高目标的隐身性能以及为隐身目标的探测提供了新的思路。本文的主要工作和创新点如下:1.通过对高斯脉冲调制正弦波入射到周期性频率选择表面后产生的时域散射波形进行分析,发现了低散射周期性结构的电磁溅射现象,即其散射波形在开始时有较大幅度、经过一段时间稳定后幅度才变得很小的现象。采用等效电路分析方法对反射和透射电流进行了分析,从电路角度揭示了这种结构产生时域溅射现象的机理:即缝隙阵列等效电路中的电容和电感在散射开始时产生不均衡散射,从而造成总散射出现较大的峰值,如果等效电容增加,其时域溅射现象更显著。为了验证本文工作,对不同尺寸、相同频率的缝隙阵列的时域溅射特性进行了实际测量,测量结果与理论分析结果一致性较好。2.对带电磁带隙的微带天线和覆盖电磁带隙的棋盘型人工电磁表面的散射特性进行了研究,揭示了其带内的低RCS特性主要是由来自电磁带隙和来自目标自身的散射在后向相抵消形成的。在此基础上,通过对高斯脉冲调制正弦波入射到低RCS目标后产生的时域散射波形进行分析,发现了低散射周期性结构的电磁溅射现象,探讨了电磁溅射现象的形成机理,并进行了实验验证。利用这种溅射现象,有可能探索出一种探测低RCS目标的时域新方法。3.提出了利用各向异性结构不同方向上折射率不同的特性来设计低散射人工电磁表面的方法,并进行了实验验证。这种表面利用了由不同旋转角度金属贴片构成的阵列产生的等效各向异性介电常数,使得在这个表面上传播的表面波可以沿着设定的方向传播,从而可以使其向着和背离表面边缘传播,避免激发边缘奇异电流,减小边缘的散射。实验结果与理论设计相吻合。4.为了实现不同极化波入射下的低RCS,提出了极化无关梯度折射率表面的概念,并采用圆环形贴片设计实现了准极化无关的梯度折射率表面。同时,基于广义折射率原理,还设计了方形贴片和耶路撒冷贴片等2种不同类型的梯度折射率表面,并对其散射特性进行了深入研究。结果表明,环形贴片梯度折射率表面能将不同极化的入射波转化为表面波,耶路撒冷贴片梯度折射率表面能在较宽频带内减低后向RCS。5.利用编码的思想和环形贴片及耶路撒冷贴片单元的反射相位分布情况,设计了适用于不同极化波入射时的低RCS超材料表面,和在较宽频带上实现低RCS的超材料表面。这些表面可将入射波散射到多个方向,打散散射能量,从而减小后向RCS。6.提出了低散射宽带人工电磁表面的设计方法,该方法先从数学上推导了能用于表示人工电磁材料表面电场分布的近似公式,再通过优化调整公式中的各参数,使散射满足预先的设计要求。然后根据确定的公式参数推算出能够实现宽角度散射时所需的表面电场的相位分布条件,最后通过相位分布反推出对应位置处的单元结构,从而实现电磁表面的设计。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN95
【部分图文】：

波形,介质层,缝隙阵,后向散射

率最大值所降低或者升高的倍数，表示了电磁波开始部分溅射出的功率大逡逑小程度。逡逑溅射现象持续时间（ｋｅ）。图２－１给出的是持续时间为０到４ｎｓ的时域散逡逑射波形，后向散射电场的包络在图中用蓝色线标出，五ｍａｘ是散射电场的最逡逑大值。定义散射电场包络值由包络最大值下降到最大值一半时、两个时刻逡逑之间的时间为溅射现象持续时间，用ｔｅｅ表示。逡逑０．００６邋逦逡逑？逦——包络￡逡逑0■－邋广＾逡逑ｒ＇／ｗ逡逑＿＿逦＊．邋ｉ－邋Ｉ邋＊逦？逦＊逦．逦１逦％逦＇逦？逦？逡逑袖－０．００２邋－逦ｊ邋；邋；逦；邋：邋＇ｔ邋：、＇：逡逑．逦！：：：：逦＇、：逡逑｜逦Ｉ逦１逦？邋＊逦ｉ逡逑－０．００４邋－逦ｊ逦ｊ逡逑丨一、’逦’加逦＂—｜逡逑－０．００６邋逦■逦１逦逦逦１逦■逦１——＾逦１逦■逦逡逑０．０逦０．８邋ｔ0邋１．６逦２．４邋ｔ］邋３．２逦４．０逡逑时间（ｎｓ）逡逑图２－１覆盖介质层的缝隙阵列后向散射电场波形（介质层＆＝１０．２，厚度Ａ邋＝２邋ｍｍ）逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｂａｃｋｗａｒｄ邋ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ邋ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｌｏｔ邋ａｒｒａｙ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ：邋ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ邋ｓｒ邋＝邋１０．２，邋ｈｅｉｇｈｔ邋ｈ邋＝２邋ｍｍ）逡逑２．２．２邋时域有限差分方法逡逑为了研宄周期性结构的时域散射波形，本文采用时域有限差分逡逑（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ邋Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ邋Ｍｅｔｈｏｄ

示意图,梯度折射率,原理,表面

（Ｐ“ｉｘ）邋＝邋ｋ，ｘ逦（２－２５）逡逑其中０ａ0ｃ）表示每两个相邻子单元的相位差。如图２－３所示，当电磁波从外逡逑界入射时，如果电磁波全部转化为束缚于梯度表面的表面波，＆此时的数逡逑值大于R<，从而可以得出在垂直于梯度表面方向上，传播常数匕是一个虚逡逑数，电磁波在梯度表面法向上指数衰减。逡逑２．３．２逦空间场的傅里叶变换解法逡逑在数学上，时域与频域之间的变换为：逡逑＾）＝＼ｍｅ＾ｄｔ逦（２．２６）逡逑ｍ邋＝邋＾＼Ｆ｛（0）ｅｒｉｍｄｃｏ逡逑ｌｎｉ逦（２－２７）逡逑空域与谱域之间的变换为（以二维情况为例）：逡逑ｗ（ｘ，ｙ）邋＝逦＼＼Ｕ（ｋｘ，ｋ邋ｙ邋，ｋ＇ｘ￣ｌｋ＇ｙｄｋｘｄｋｖ逡逑（２－２８）逡逑ｕｉ．ｋ＾ｋｙ）邋＝邋＼＼邋Ｕ（Ｘ＾邋ｙｙ＇Ｋｘ＋Ａ邋ｙｄｘｄｙ逦（２＿２９）逡逑在平面波谱展开理论中，无论是自由空间还是封闭的传输波导，传输逡逑１４逡逑

缝隙阵,缝隙,单元

列总的长度和宽度都是１８０毫米。在谐振频率上，缝隙阵列的作用如同一个逡逑带通滤波器，整个缝隙阵列对于入射波来说是全透明的。为了寻找缝隙阵逡逑列的谐振频率，用ＦＤＴＤ算法算出缝隙单元的ＲＣＳ，如图３－２所示。在计算逡逑过程中，时域入射波的极化方向平行于缝隙的短边。入射波采用调制高斯逡逑脉冲逡逑４＾（／－０．８ｒ＇）Ｊ逡逑ｊ逦１＾２逦逦逦邋一邋逦逦逡逑Ｅ邋＝邋ｃｏｓ（２＾－／０／）ｘｅ逦（３－１）逡逑其中Ｔ’邋＝邋２／／ｇ邋，／0邋＝邋５邋ＧＨｚ邋并且邋／ｇ邋＝邋３邋ＧＨｚ。逡逑为了计算ＲＣＳ，入射场和后向散射场通过傅里叶变换换算到频率上，逡逑然后通过下式计算逡逑ＲＣＳ邋＝邋１０１ｏｇ（４＾－ｉ—Ｌ）逦（３－２）逡逑此处庐是散射电场。为了得到Ｋｓ，用了近远场变换的方法（近场结果由逡逑ＦＤＴＯ得到）。从图３－２中可以看出，缝隙阵列的谐振频率为５．３邋ＧＨｚ。逡逑图３－１缝隙阵列的结构，缝隙单元长４５邋ｍｍ，宽２０邋ｍｍ，缝隙长３０ｍｍ，宽１邋ｍｍ逡逑Ｆｉｇ．邋３－１邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｌｏｔ邋ａｒｒａｙ：邋ｌｅｎｇｔｈ邋ａｎｄ邋ｗｉｄｔｈ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｕｎｉｔ邋ｃｅｌｌ邋ａｒｅ邋４５邋ｍｍ邋ａｎｄ邋２０逡逑ｍｍ，邋ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，邋ａｎｄ邋ｌｅｎｇｔｈ邋ａｎｄ邋ｗｉｄｔｈ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｌｏｔ邋ａｒｅ邋３０邋ｍｍ邋ａｎｄ邋１邋ｍｍ邋ｒｅ

【参考文献】