分析物理光学法在吸收体散射特性中的应用

摘要： 物理光学法是一种高频近似计算思想，其主要的思想就是对物体表面散射场进行几何形态的简化，然后利用数学和物理光学结合，将吸收体散射形态转化为光学和积分的公式，以此来计算所需数据的方法。所以在研究吸收体散射特性的时候，物理光学法发挥了较大的作用，从表面简化到结果计算都能体现其优势。

关键词： 物理光学法；吸收体特性；散射场计算；吸收体散射

中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210106－02

0 引言

渐变微波吸收体由部分涂覆介质的正四棱锥导体周期排列组成，由于其后向散射小，越来越被广泛运用在星载微波辐射计定标系统和微波暗室中。由于其电尺寸大，锥齿间耦合强，很难用常规的数值方法直接计算其散射场。

对于电大尺寸的导体目标散射体，一般采用物理光学法、几何光学法、物理绕射法和几何绕射法等数值方法计算其散射场。当电大尺寸导体目标涂覆吸波材料后，其散射场的计算将变得更复杂。根据渐变微波吸收体周期性结构特点，为了简化和快速计算，运用等效原理，首先在介质的表面采用Coro-na提出的等效电磁流公式给出等效电磁流，再结合物理光学法和天线阵列分析技术计算出整个渐变吸收体在任意方向的散射场。该方法解决了渐变吸收体因电尺寸大、结构复杂、锥齿间电磁耦合强而难于直接用数值方法直接计算其散射场的难题，运算速度快，效率高，为渐变吸收体的设计提供了理论依据。

1 物理光学法

物理光学的理论是用散射体表面的感应电流来代替散射体本身，通过其表面的感应场的近似和积分来求出散射场。因为感应场是相对有限的，散射场也就同样有限，这样转变了当散射体为平表面和单曲表面时出现的无限大的问题。物理光学的出发点是Stratton-Chu积分方程。这些表达式对于一个相对封闭的散射表面进行计算时准确的，但是Stratton-Chu积分方程的积分项中项场是总场，包含了入射和散射的两个场分项。

物理光学法同时也是一种高频近似的方法。当散射体远远大于波长的时候，物理光学法将切向平面近似思想用在积分总场上。也就是假定表面电流等于在积分表面为理想光滑平面的电流值。对于任何物体和表面材料都可以进行这一近似处理。总结的看物理光学法有以下几个特征：

1）物理光学法的计算。这一过程是由入射场求出表面电流的密度，然后由密度求出位函数，在求散射场。在具体的计算中，一般能够严格的按照积分要求进行计算的情况很少，大多数都需要采取一些数学方法进行近似将积分简化。

2）散射体的照明区，也就是电流密度不等于零。在散射体阴影的区域，入射场不为零，而电流密度为零。因此物理光学在研究吸收体散射的时候，一般不考虑阴影区的影响。

3）采用切平面进行近似的时候，不需要假定散射体是光滑表面，且镜面反射点的主要曲率半径远大于波长，因此不能考虑棱边对散射的影响，也不能计算因物体不连续而产生的影响。所以，物理光学常常只能在散射的近轴方向上才能达到一定的精度。

4）物理光学法是一种求解吸收体散射问题的常用方法，因为其不需要对焦散和阴影边界进行特殊的处理。物理光学解决散射体问题时，包括的表面积分可以通过将其表面离散为一些多变形单元，再利用数学积分的处理办法将问题简化解决。

2 对吸收体的特征分析

在物理光学法的研究对象中，吸收体的结构往往是不规则的形状，这时可以通过对其表面结构的简化来实现对其散射场的研究。这时吸收体的表面可以通过细化成为近似的正四棱锥导体，其分别都为二维周期性特征，因此可以把它们简化为由涂覆介质的导体三角板和涂覆介质的导体二面反射器单元按周期的组合。单个涂覆三角板和二面角的结构，涂覆的介质为消耗介质。其主要的参数有，d为介质的厚度，2α是二面角的夹角，l是两个三角面的公共变长度，a是相临棱锥定点的距离，对于一个正四棱锥，l=a。

这时对吸收体的散射特性的研究就得到了简化，成为均匀的平面阵辐射问题。这时，对吸收体散射的研究就会和导体渐变散射体散射分析方法相同，可以根据结构的周期特征，在沿着某个轴向的负方向上射入电磁波，这时只要计算涂覆介质的导体二面角和三角斜面单元的散射场，在运用矩阵技术进行分析，既可以得到各个方向上的散射总场。此时，二面角阵和三角面阵地阵元位置为l的中心。

3 对吸收体散射场的计算

吸收体在平面的电磁波入射时，涂覆有吸波材料的涂层的材料表面就会形成一定的散射。一般的吸收体的上面的部分是涂层介质，下部为导体或者基础材料。其中一般的参数为：θi表示电磁波入的射角；θr就是反射角；εr是介质的相对的介电常数；μr是介质的相对磁导率；n是表面法线方向的单位矢量；i是入射平面波的入射线的单位矢量；ei//和ei分别是入射波平行极化和垂直极化方向，er//和er分别是反射波平行极化和垂直极化方向。利用这些参数在平面电磁波入射下，可以按照电磁流表达式形成计算公式，并进行计算得出吸收体的散射场特性。

一般在计算这样的吸收体散射场，并研究其特性的时候，计算方法就和涂覆了的导体板是相同的，不同的地方时在计算中一定要考虑多次反射的对散射过程的影响。因此在计算渐变性吸收体的散射场的时候，一定要进行分解计算，即将组成渐变体或者吸收体表面的单元分别就算，然后再利用叠加原理形成最终的吸收体散射场。

最佳介质厚度时多个渐变吸收体RCS的计算根据损耗介质参数对涂敷导体二面角RCS的影响而设定好介质参数后，利用天线阵列技术就可以算出相应吸收体的RCS.设组成渐变吸收体的二面角尺寸、入射波、相对介电常数和相对磁导率，取h=6.0mm，整个渐变吸收体尺寸为11.88λ×11.88λ，对于大尺寸的吸收体，已经很难用HFSS计算其RCS，而采用本文的分析和计算方法，可以使计算量大大减少，使快速计算整个吸收体的RCS成为可能。从计算的结果可以看出，随着θ的变化，渐变吸收体的RCS呈现周期性的变化，极小值出现在θ=5°、10°、15°、20°、25°和30°等。在设计渐变散射体过程中，最关心的是后向散射场的大小，要改变后向散射场的值，在设计吸收体的过程中，可以通过调节介质的厚度、介电常数和磁导率等来达到使吸收体的RCS较小的目的。

4 物理光学法对吸收体散射分析的具体做法

首先，涂覆介质的大尺寸导体二面角单元的散射设电大尺寸局部涂覆介质的导体二面角结构，尺寸为2α=180°,a=80mm，l=40mm，d=1.155mm，介质的相对介电常数为εr=2-2j，相对磁导率为μr=4-4j，入射平面波频率为12GHz，电场分量为Ei=E0ex，波沿-ez方向传播。数值计算结果和用软件HFSS仿真所得的双站RCS，图中实线为在=0°时，用软件HFSS仿真所得的结果随θ变化的关系曲线，虚线为计算的结果随θ变化的关系曲线。从计算的结果可以看出，计算的结果和用仿真软件计算的结果基本吻合。因此，对于局部涂覆吸波材料的电大尺寸导体散射目标，其散射场可用物理光学法结合介质表面的等效电磁流表达式计算。

其次，涂覆导体二面角单元组成的一维阵列的散射组成一维阵列散射体的涂覆有耗介质的导体二面角单元的尺寸以及入射波的频率和入射方向与前面的算的例子相同，取11个阵元。此时一维阵列散射体的电尺寸较大，很难用数值计算方法和HFSS软件直接计算其散射场。根据其结构周期性特点，用物理光学法计算每个阵元的散射场，再利用一维阵列分析技术计算出整个散射体的散射场。其双站RCS随角度θ变化的曲线。从研究中可以看出，在Ø=0°时，随着θÈ的变化，一维阵列的RCS出现较大的变化，这是由于在不同的θÈ角方位上，每个阵元之间的相位差不同引起的。

综合的看，吸收体的散射最终都要进行整合，其整合包括二面角单元和三角面单元。在对吸收体的散射特性的研究中，假设，利用物理光学法将组成渐变吸收体的局部涂覆二面角单元的结构尺寸为2α粒琹介质的相对介电常数为εr，相对磁导率为μr，设入射波沿-ez方向入射，极化方向为Ei。在计算中可以任意取n×n个锥齿周期性排列组成的吸收体。此时整个渐变吸收体的电尺寸很大，已经不能用数值计算方法和HFSS软件直接计算其散射场。为了简化计算，把整个吸收体的散射简化成两个涂覆介质二面角阵和四个三角面阵的散射组合，其阵元位置坐标形成独立的散射单元。根据电磁波的极化方向，二面角阵元位置坐标会出现两种不同的入射波，即入射波为TE波或TM波；三角面阵元位置坐标也会出现这样相同的情况，即入射波为TE波或入射波为TM波。

针对不同的入射波，都要按照相同的方式进行计算：1）利用物理光学法算出每个阵元的散射场；2）利用阵列分析技术计算出整个渐变体在某一方向的散射总场。这时往往最关心的是后向散射场，在此主要研究在频率给定条件下，介质厚度对整个不规则吸收体散射特性的影响。吸收体的散射特性会随着介质厚度d变化形成一个固定的函数曲线。当入射波的频率为一个固定的值的时候，吸收体的散射特性随着表面介质厚度变化而变化，在某处出现极小值，然后数值随着d的增大而增大，当d达到某个峰值后，散射特性会随d的增加而转为变小。因此在研究吸收体散射特性的时候，有三个主要的因素：即吸收体的结构、入射波的频率和涂覆介质的厚度，只有综合这三个要素采用更好的利用物理光学法来对吸收体散射特性进行合理而准确的研究，且得出的结论也是比较准确的。

5 总结

当局部涂覆吸波材料的导体的电尺寸较大时，若采用低频数值计算方法直接计算其散射场，计算量将很大，计算速度慢，甚至无法计算，因此应改用高频法近似计算。而吸收体的特征就是在反射过程中因为表面的变化或者涂层的影响而对散射形成重要的影响。要对其进行散射进行研究并得到具体的参数是一件十分困难的事。为了解决这一问题，往往利用物理光学法来对其进行研究，将散射进行细部分解，并进行积分计算。然后再利用辅助方法进行整合，这样就得到了比较理想的散射场结论，达到了吸收体散射特性的表达目的。

参考文献：

[1]潘顺康、吕善伟、张英锋，二面角散射特性的研究[J].广西物理，2007，（01）.

[2]刘慧春，介质涂层对导体目标电磁散射影响研究[J].广西物理，2009，（04）.

[3]冯克明、王伟，物理光学法与渐变微波吸收体散射截面计算[J].电子技术，2009（10）.

作者简介：

吴梦溪（1988-），女，就读于哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，本科生，研究方向为物理学。

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