線天線與陣列電磁散射特性的-研究

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1、第一章緒論第一章緒論【摘要】本章首先介紹了目標(biāo)雷達(dá)散射截面的基本概念及電磁散射研究的背景和意義，然后概述了電磁場數(shù)值方法及天線雷達(dá)散射截面的基本概念和分析方法，最后介紹本文的主要研究工作。1.1引言當(dāng)電磁波照射到一定尺寸的障礙物上時，產(chǎn)生的與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、位置以及入射波頻率、極化等相關(guān)的能量分布稱為散射。產(chǎn)生散射的物體稱為散射體。對電磁波的散射機(jī)理及其散射特性的研究具有重要意義，比如雷達(dá)探測、遙感探測、模式識別、無損檢測等許多工程技術(shù)都需要以目標(biāo)電磁散射特性分析為基礎(chǔ)，散射特性的定量分析是這些應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要依據(jù)

2、。軍事應(yīng)用中隱身與反隱身技術(shù)的發(fā)展使得電磁散射問題在電子對抗中顯得越來越重要；在遙感探測中得到地面或海面背景下的軍事目標(biāo)散射情況；在無線通信方面利用電離層、對流層進(jìn)行散射通信；其它的工程應(yīng)用如隨機(jī)粗糙面散射、地下勘測、電磁兼容等問題都與電磁波的散射有關(guān)；因此電磁散射問題的研究一直是電磁學(xué)中的一個重要組成部分。雷達(dá)散射截面[1](RadarCrossSection，RCS)是定量描述目標(biāo)雷達(dá)特征的參量，表示目標(biāo)對入射雷達(dá)波呈現(xiàn)的有效散射面積。雷達(dá)探測的回波強(qiáng)度就與該散射面積成正比。雷達(dá)散射截面s的定義為：ΕH?s?2?s

3、?2s=lim4pR=lim4pR22?￥?Ε??￥?Η?i2i2RR(1.1)式中Εi、Ηi分別表示入射波的電、磁場強(qiáng)度，Εs、Hs分別表示散射波的電、磁場強(qiáng)度，R為目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離。?Εs?2和?Hs?2表示單位面積上的散射波功率，因此4pR2?Εs?2或4pR2?Hs?2表示散射波在半徑為R的整個球面上的總散射功率。因此，目標(biāo)雷達(dá)散射截面可理解為：目標(biāo)各向同性散射時，總散射功率與1安徽大學(xué)碩士學(xué)位論文：線天線及陣列電磁散射特性的研究單位面積入射波功率之比。實(shí)際應(yīng)用中鑒于雷達(dá)的遠(yuǎn)程識別能力，因此雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收

4、機(jī)距離目標(biāo)很遠(yuǎn)，所以可將雷達(dá)入射波看成平面波。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的夾角稱為雙站角g，當(dāng)雷達(dá)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)位于同一位置時，稱為單站散射，也稱為后向散射，此時g=o；當(dāng)接收機(jī)不是指向發(fā)射機(jī)時，稱為雙站散射。0對于三維幾何結(jié)構(gòu)，散射場Εs在遠(yuǎn)區(qū)按1/R衰減，因此，式(1.1)中出現(xiàn)的R2抵消了距離的影響，即雷達(dá)散射截面與距離無關(guān)。對于簡單的二維情況雷達(dá)散射截面可定義為?s?2?s?2ΕH?s?2?s?2s￠=lim2pr=lim2prΕΗ?i?2?i?2r?￥r?￥.(1.2)由于雷達(dá)散射截面是標(biāo)量，所以常用對數(shù)形式給出，即

5、s=s(1.3)dBsm10lg三維情形的雷達(dá)散射截面單位為m2或dBsm；二維情形的雷達(dá)散射截面單位為m或dBm。1.1研究背景及意義電磁散射問題的分析和解決需要現(xiàn)代化的設(shè)備為依托，而雷達(dá)則是迄今為止最有效的遠(yuǎn)程電子探測設(shè)備，是通過發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收回波來獲得目標(biāo)的位置、尺寸、變化速率等信息的裝置。其實(shí)質(zhì)是對雷達(dá)回波的分析來判定目標(biāo)的確定位置和方位信息等。雷達(dá)發(fā)射特定波形的電磁波通過目標(biāo)散射，再接收散射信號，從中提取目標(biāo)的尺寸及特征信息，雷達(dá)目標(biāo)的散射特征是電磁散射研究的重要組成部分。當(dāng)電磁波入射目標(biāo)時，

6、其回波向各個方向散射，在空間形成的總場為入射場與散射場之和。由于目標(biāo)表面凹凸和漸變等因素影響，電磁波在入射時會發(fā)生繞射、衍射等現(xiàn)象。由經(jīng)典的麥克斯韋方程組[2]可知，變化的電場和磁場交替演變，使得入射到目標(biāo)表面的電磁場會產(chǎn)生感應(yīng)的電磁流，感應(yīng)的電磁流會進(jìn)一步產(chǎn)生二次輻射，在空間形成與入射波的頻率、極化以及目標(biāo)結(jié)構(gòu)、形狀相關(guān)的能量分布，稱為散射方向圖。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭格局下，基于電磁特性的雷達(dá)隱身技術(shù)充分發(fā)揮了局部區(qū)域內(nèi)有2第一章緒論效的突防攻擊作用。1989年，美國入侵巴拿馬戰(zhàn)爭中F-117A隱形戰(zhàn)斗機(jī)初顯威力；1991年，

7、海灣戰(zhàn)爭中更是將隱身技術(shù)提升到?jīng)Q定局部戰(zhàn)爭成敗的重要因素?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭的勝負(fù)很大程度上取決于高科技在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用，因此隱身與反隱身技術(shù)越來越受到關(guān)注，所以目標(biāo)的電磁散射研究對RCS縮減和整體的隱身都有重要的意義。1.1電磁場數(shù)值方法概述用于分析電磁場問題的方法可近似歸結(jié)為解析法、高頻近似法和數(shù)值法[3-5]等。利用麥克斯韋方程組的各種數(shù)學(xué)方程形式解析電磁場問題就是解析法的原理，這是人們開始研究電磁問題的理想方法，雖然解是精確的且具有普遍適用性，但其僅對簡單、規(guī)則的目標(biāo)適用。在電磁頻譜的低頻區(qū)，雷達(dá)波長較長，可以同時照射到目

8、標(biāo)的各個部分，采用準(zhǔn)靜態(tài)法和電路理論方法來分析研究；在高頻區(qū)，物體遠(yuǎn)大于入射波長，對目標(biāo)的照射是局部化的，此時各單元之間是相互獨(dú)立的，高頻近似以及光學(xué)方法可以很好地解決高頻區(qū)的散射問題；介于低頻區(qū)和高頻區(qū)之間稱為諧振區(qū)，物體尺寸與入射波長相當(dāng)，每一部分的散射都會對其他部分產(chǎn)生影響，每一部分的散射場都是入射場和其他部分引起的散射場的