金属球双站RCS研究

邓嘉卿 王艳芳

摘 要：该文对金属球的双站雷达散射截面进行了数值计算，计算结果与解析解吻合较好。在此基础上分别讨论了金属球涂敷不同介质和介质厚度对于金属球双站雷达散射截面减缩的影响。

关键词：金属球 雷达散射截面（RCS） 介质

中图分类号： TN957 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-0-02

目标电磁散射特性的研究经久不衰，尤其是在现代军事和许多民用技术方面进入了崭新的阶段。在该研究中，人们习惯用雷达散射截面（radar cross section，RCS）来表征目标反射雷达波效率的特征，它是评价目标电磁散射特性的一个最基本的参数。用一个已知的、精确的RCS定标体进行相对标定，是测量求得各目标RCS的前提，因此研究标准目标的电磁散射特性为研究目标电磁散射特性提供了理论依据。同时它还具有实践意义，比如在现代战争中，缩减目标RCS以及对其进行有效抑制，或者降低雷达受威胁方向上的RCS，均能使得目标的生存几率大大提高。因此不同量级的定标体RCS值的测量具有很强的应用价值，而其中最有用的定标体之一就是金属球，因此金属球的RCS以及与之相关问题的研究，其实践意义重大。

1 RSC

RCS是度量雷达目标对照射电磁波散射能力的物理量，其定义为：单位立体角内目标向接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍[1-2]。从电磁散射观点看，雷达目标散射的电磁能量等于目标的等效面积与入射功率密度的乘积[2]。平面电磁波的入射能量密度为

（1）

其中：Ei表示入射电场强度与磁场强度；η0表示自由空间波阻抗。借鉴天线口径有效面积的概念，可得

（2）

其中：P表示目标截取的总功率；σ表示目标等效面积。假设功率是各向同性均匀地向四周立体角散射，则在距离目标R处的目标散射功率密度为

（3）

或者

（4）

其中：Es表示场强。由（3）与（4）得

（5）

此式符合RCS的定义。下面定义远场RCS，当R足够远即趋于无限大时，照射目标的入射波近似为平面波，这时σ与R无关，表达式应为

（6）

从雷达测量观点看，RCS 由雷达方程式推导可得，通常用符号σ表示，单位是m2，归一化RCS曲线图的纵坐标为σ/λ2，横坐标为ka = 2πa/λ（a为目标特征尺寸），此时两维坐标都无因次[3-4]。从广义上来讲，在不满足远场条件下，RCS 的测量值与测量距离有关，这样可以定义近场RCS。

2 金属球双站RCS数值结果及相关问题结语

金属球是重要的定标体之一，下面计算并讨论金属球的双站RCS值，首先假设平面波频率为1 GHz，沿-Z方向入射，电场的极化方向沿+X方向，电场强度为1 V/m。

2.1 金属球RCS

假设金属球的球心在直角坐标系原点，半径为0.135 m，也恰好为0.45λ。使用HFSS软件计算金属球的双站RCS，并和相应的级数解对比如图1所示，两者吻合较好，该方法求解结果可靠，以后算例均用HFSS软件求解讨论。

2.2 涂敷不同介质金属球RCS

半径为0.135 m的金属球分别涂覆2 mm的介质，相对介电常数εr分别为7，10，50，相应的双站RCS数值结果如图2所示。由数值结果可知，涂敷介质后在某些角度存在RCS的减缩，而某些角度RCS反而增加了，且RCS减缩程度并不是完全随着介电常数的增大而增大的。例如0 °到30 °左右的范围内，RCS的减缩程度随着介电常数的增大而增大；而在80 °附近的位置，涂敷εr=7的介质金属球RCS的减缩最小，其次是涂敷εr=50的介质，涂敷εr=10介质金属球的RCS减缩程度最大。为了获得较大的RCS减缩，可根据实际的雷达位置情况，选择合适的介质进行涂敷。

2.3 涂敷不同厚度介质金属球RCS

半径为0.135 m的金属球涂敷εr=7的介质，不同厚度时的双站RCS如图3所示。由数值计算结果可知，RCS并不是随着介质厚度的增加而减小的。例如在介质厚度为50 mm时，RCS几乎在所有的方向上都大于没有涂敷介质时的情况。而且，涂敷不同厚度的介质，可以在相应角度的位置获得最大的RCS减缩，但很难在所有的方向均实现减缩。表1列举了金属球涂敷不同厚度介质获得RCS最大减缩值及其相应的位置，以及在全向上RCS减缩值的统计方差。可见涂敷厚度为5 mm时RCS减缩值在各个方向上的变化最为平缓，厚度为30 mm时RCS减缩值变化最为剧烈。

半径为0.135 m的金属球涂敷εr=10的介质，不同厚度时的双站RCS如图4所示。金属球涂敷不同厚度介质获得RCS最大减缩值及其相应的位置，以及在全向上RCS减缩值的统计方差，如表2所示。由图4和表2，可得到与金属球涂敷εr=7的介质时类似的结论。RCS不是随着介质厚度的增加而减小，而且，涂敷不同厚度的介质，可以在相应角度的位置获得最大的RCS减缩，但很难在所有的方向均实现减缩。涂敷厚度为5 mm时RCS减缩值在各个方向上的变化最为平缓，厚度为20 mm时RCS减缩值变化最为剧烈。

3 结语

该文对金属球的双站RCS进行了研究，数值计算结果与解析结果吻合较好。在此基础上，分别讨论了涂敷不同介质，以及同一介质涂敷不同厚度金属球的双站RCS，发现对于给定的入射波，每种介质都有缩减RCS的最佳涂敷厚度，选择适当的涂敷厚度，可在相应的角度达到最好的RCS减缩。

参考文献

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