基于磁偶极子加载的机翼后向散射增强设计_冯桂生.pdf
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1、收稿日期:2022-12-24基金项目:国家自然科学基金(61601379,61771407)通信作者:尚玉平,副教授,博士,主要从事电磁散射分析与调控等方面的研究。E-mail:shangyuping530 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023基于磁偶极子加载的机翼后向散射增强设计冯桂生,尚玉平,廖 成(西南交通大学 物理科学与技术学院 电磁场与微波技术研究所,四川 成都 610031)摘 要:针对掠入射条件下机翼的后向雷达散射截面增强问题,提出了一种基于磁偶极子谐振的低
2、剖面加载设计。由两个在平面电磁波激励下腔内产生磁偶极子谐振的介质谐振器紧密级联构成具有增强散射特性的超单元,两个介质谐振器内部接近等幅反相的电场与磁场分布形成准超方向性再辐射,由此贡献于后向雷达散射截面增强。进一步,结合镜像原理,将超单元以组阵方式贴附于机翼节段侧立面与下表面,以对 极化和 极化掠入射波实现后向雷达散射截面增强。全波仿真结果表明,对于 极化和 极化的 15掠入射波,通过超单元阵列加载,机翼节段在设计频率 9 GHz 处的后向雷达散射截面分别得到了 13.34 dB 和 19.27 dB 的增强。对所加工样件的后向雷达散射截面进行了实验测量,实测结果和全波仿真结果吻合良好,验证了
3、该设计的有效性。关键词:雷达诱饵;后向雷达散射截面;介质谐振器;磁偶极子中图分类号:TN972文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1761引用格式:冯桂生,尚玉平,廖成.基于磁偶极子加载的机翼后向散射增强设计 J.电子元件与材料,2023,42(5):618-624.Reference format:FENG Guisheng,SHANG Yuping,LIAO Cheng.Backscattering enhancement design of airfoil throughmagnetic dipole loading J.Electronic Co
4、mponents and Materials,2023,42(5):618-624.Backscattering enhancement design of airfoil through magneticdipole loadingFENG Guisheng,SHANG Yuping,LIAO Cheng(Institute of Electromagnetic Field and Microwave Technology,School of Physical Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 61003
5、1,China)Abstract:A low-profile coating design based on the magnetic dipole resonance was presented to address the problem ofbackscattering cross-section enhancement of airfoil at grazing incidence.Two identical dielectric resonators that generatingmagnetic dipole resonance under the illumination of
6、a plane electromagnetic wave were closely cascaded to form a supercellwith augmented scattering characteristics.The electric and magnetic field distributions within the two dielectric resonators withalmost equal amplitude but opposite phase result in quasi-superdirective reradiation,which effectivel
7、y contributes to thebackscattering cross-section enhancement.Further,through the use of the image theory,the arrays consisting of supercellswere attached onto the side and bottom surfaces of an airfoil segment model so as to achieve backscattering cross-sectionenhancement for-polarized and-polarized
8、 grazing incidence.As for the-polarized and-polarized 15 grazingincidence,the full-wave simulation results indicate that backscattering cross-section of the airfoil at the design frequency of 9GHz can be enhanced by 13.34 dB and 19.27 dB,respectively,through the supercell array loading.In addition,t
9、heexperimental measurement of backscattering cross-section was conducted for the fabricated prototype.The relatively goodagreement between the simulation and measured results validated the presented design.Keywords:radar decoy;backscattering cross-section;dielectric resonator;magnetic dipole冯桂生,等:基于
10、磁偶极子加载的机翼后向散射增强设计 现代雷达技术的改进和发展,对各种军事目标的战场生存和作战效能构成了越来越大的威胁。为了反制雷达的有效探测,干扰已成为一种至关重要的雷达对抗技术。通常,雷达干扰系统通过辐射或散射等方式,产生压制式或欺骗式干扰信号以掩盖真实目标回波或模拟特定目标回波,使得对方雷达无法识别、定位及跟踪真实目标,或使其捕捉到假目标以掩护己方真实平台1。作为产生干扰信号的一种关键设备,空基诱饵的应用和部署已在现代作战体系中得到了极大重视2。相比于真实军事平台,空基诱饵往往具有较小的物理尺寸,因此需要依靠特定的信号功率放大技术或雷达散射截面增强技术措施来提升回波信号强度。在实际环境中,
11、当雷达与空基诱饵距离较远时,由于雷达波与诱饵表面接近于掠入射关系,在这种情形下,诱饵的机翼等主要结构部件散射能力明显减弱,使得诱饵整体难以形成较强的回波幅度。考虑到射频有源放大设计带来的系统复杂度和成本上升问题,以机翼等主要结构部件为基础,研究其在掠入射情形下的雷达散射截面增强无源设计是一项具有实际意义的工作。无源形式的雷达干扰设备因具有稳定、实用、低成本等特点,受到了相对较多的研究报道和实际应用,其主要通过反射或吸收入射雷达波的方式来调控回波幅度。传统的无源干扰设备主要包括箔条3-5、角反射器6-7以及龙勃透镜8等,分别借助半波谐振、多次反射以及波束聚焦原理,可产生较强的散射回波幅度。近年来
12、,超材料、超表面等新型设计被报道用于雷达回波幅度调控应用。Xu 等9提出了具有谐振吸收效应的十字型超材料,用以降低目标在逆合成孔径雷达成像结果上的显示亮度,等离子体10-11的电磁波吸收效应也被报道用于产生类似的雷达干扰。针对钝二面角结构在近掠入射时的后向雷达散射截面增强问题,Lei 等12采用环形单元设计了反射式相位梯度超表面,并将其加载于钝二面角结构表面,在两个正交线极化平面电磁波照射下均获得了可观的后向雷达散射截面增强效果且具有较好的角向稳定性。使用加载了 PIN二极管的准蝶形单元,Xu 等13提出了一种可调超表面设计,超表面两种工作状态的反射相位差为 180,通过相应的雷达散射截面减缩
13、来实现一维距离像干扰。相位调制表面14-15通过对反射信号进行相位调制,修改了目标的成像特征。介质谐振器16因其低损耗、易集成、结构紧凑等特点而被广泛应用于光学和微波器件。Alhaj 等17采用圆柱体形介质谐振器并以阵列形式安装于角反射器表面,对雷达散射截面曲线产生频率编码效果,进而用作室内定位系统中的无芯片标签。可以看出,在面向诱饵应用的雷达散射截面增强方面,一些传统的干扰设备以及超表面已被报道具有回波幅度增强能力,而适用于诱饵机翼等结构部件的掠入射设计则报道较少。同时,介质谐振器目前多被应用于射频电路与微波天线设计,虽然有部分射频识别标签设计涉及介质谐振器,但在雷达散射截面调控应用中介质谐
14、振器的作用潜力仍需进一步探索。针对掠入射情形中机翼的后向雷达散射截面增强问题,本文提出了基于介质谐振器磁偶极子谐振的低剖面设计。通过合理设计长方介质体的几何尺寸,结合平面电磁波激励,在介质体腔内产生具有磁偶极子再辐射特性的混合谐振模式(Hybrid ElectromagneticMode,HEM Mode)。在此基础上,将两个相同的长方介质体级联,组成一个具有增强散射特性的超单元。超单元内部接近于等幅而反相的电场和磁场分布,使超单元起着一个基于磁偶极子的准超方向性再辐射二元阵的作用,由此获得增强的散射特性。进一步,由镜像原理,将所提出的超单元剖面厚度减半并通过组阵方式集成至一种机翼结构中。对于
15、掠入射平面电磁波,后向与双站散射结果表明,相比于初始机翼结构,剖面厚度仅 0.0780的超单元阵列在两个正交极化方向上均可提供显著的后向雷达散射截面增强效果。1 基于磁偶极子的超单元设计1.1 长方介质体的磁偶极子谐振本文所设计的磁偶极子谐振由介质谐振器实现,如图 1 所示,该介质谐振器为一块长方介质体,其沿x、y、z 轴的尺寸分别为 a=4.3 mm(0.130,0=33mm,为设计频率 9 GHz 所对应的自由空间波长),b=16 mm(0.480),2h=5.22 mm(0.1560)。介质体材质为相对介电常数 r=25 和相对磁导率 r=1 的微波陶瓷,并假设其无损耗。当该介质体受到沿
16、+x 到-x 传播的 极化平面电磁波照射时,经高频电磁模拟软件 Ansys HFSS 仿真,得到 9 GHz 处磁场强度与电场强度分布如图 1 所示。由于长方介质体内部的电磁场在介质与空气各交界面间多次反射,形成如图所示的驻波场分布,表明介质体此时形成了一个介质谐振器。并且,磁场强度与电场强度均具有沿 x、y 和 z 轴的非零向量,因此所得到的驻波场分布对应于 HEM 模式。同时,根据电场强度沿各坐标轴的半波变化,可确定该几何尺寸下介质谐振器对应谐振模式为 HEM111模式。916电子元件与材料图 1 受到沿+x 到-x 传播平面波照射的长方介质体及其 9 GHz 处腔内电磁场分布Fig.1
17、Freestanding dielectric block illuminated by a planeelectromagnetic wave propagating from+x to-x directionand field distributions within the dielectric at 9 GHz图 2(a)为仿真所得长方介质体的共极化后向雷达散射截面频率响应曲线。文中单位 dB 表示雷达散射截面相对于 1 m2的分贝数。观察到在设计频率 9 GHz附近出现了一个后向雷达散射截面峰值,其值为-29.84 dB。由图 2(b)和(c)所示的 9 GHz 处二维双站散射方向图
18、,可以观察到在平面波激励下介质体在xoz 面内的散射方向图接近于全向,而对于 yoz 面和xoy 面,散射方向图在 y 轴方向存在两个明显的零点,对应的三维形式双站散射方向图类似于甜甜圈形状。同时,由于 xoz 面内 分量、yoz 面内 分量、xoy 面内 分量占据主导,结合雷达散射截面的基本定义,可知散射磁场强度主分量与 yoz 面和 xoy 面平行,散射电场强度主分量与 xoz 面平行,相应交叉极化分量幅度则可小至忽略不计。后向与双站散射结果表明,受 极化平面波激励的该尺寸长方介质体在 9 GHz 可以等效视为一个沿 y 轴放置的磁偶极子进行再辐射。由于 HEM111模对应于磁偶极子谐振特
19、性,此处观察得到的结论与前文模式分析结果吻合。此外,由于等效磁偶极子沿 y 轴放置,当平面波入射角度在 xoz 面内变化时也能观察到类似的散射特性。1.2 基于级联磁偶极子的超单元将上述产生磁偶极子谐振的长方介质体作为基本单元,通过两个基本单元的紧密级联构成具有增强散射特性的超单元,其结构如图 3 所示。两个基本单元沿入射波传播方向紧密排列,两者之间形成的空气间隙宽度为 s=1 mm(0.030)。图 2 长方介质体的散射特性。(a)共极化后向散射截面;(b)xoz 和 yoz 面双站散射方向图;(c)xoy 面双站散射方向图Fig.2 Scattering characteristics o
20、f the dielectric block.(a)Co-polarized backscattering cross-section;(b)Bistaticscattering pattern in xoz and yoz plane;(c)Bistatic scatteringpattern in xoy plane图 3 基于级联磁偶极子的超单元Fig.3 Magnetic dipole-based supercell026冯桂生,等:基于磁偶极子加载的机翼后向散射增强设计在沿+x 到-x 方向传播的 极化平面波照射下,仿真得到该超单元的共极化后向雷达散射截面频率响应曲线如图4(a)所示
21、。可以观察到,在设计频率 9 GHz 处出现了一个明显的后向散射峰值,其值为-22.68 dB,相对于图1 中的长方介质体,后向雷达散射截面增强了7.16 dB。图 4 超单元的(a)共极化后向雷达散射截面的频率响应曲线与(b)9 GHz 处内部电场、磁场分布(相位分别为 0和 180)Fig.4(a)Frequency-dependent co-polarized backscatteringcorss-section of the supercell and(b)electric field andmagnetic field distributions within the superc
22、ell at thefrequency of 9 GHz and the phase of 0 or 180为了进一步理解基于级联磁偶极子的超单元实现后向雷达散射截面增强的机理,于图 4(b)中分别绘制了相位为 0和 180时超单元内部的电场强度与磁场强度分布。可以发现,在两种相位状态下,紧密相邻的两个基本单元的内部电场强度与磁场强度均维持相反的矢量方向,而幅度接近。此外,由于两个基本单元间的空气间隙宽度 s 远小于波长,这种类型的场分布构成了准超方向性再辐射18,使得该超单元类似于一个基于磁偶极子的准超方向性再辐射二元阵列,进而有利于后向雷达散射截面增强。2 加载超单元阵列的机翼散射特性为了
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