基于FEKO的等离子体隐身天线罩研究.pdf
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Altair2015技术大会论文集-1-基于基于FEKO的等离子体隐身天线罩研究的等离子体隐身天线罩研究StudyofplasmastealthantennaradomebasedonFEKO阳开华摘摘要要:
等离子体隐身技术是提升飞行器隐身性能的一种新兴的重要手段,本文采用矩量法研究了等离子体隐身天线罩的电磁散射特性。
采用电磁场三维建模仿真软件FEKO对等离子体天线罩进行了建模仿真,分析了等离子体浓度对天线罩散射特性的影响。
关键词关键词:
等离子体,天线罩,FSS,AltairFEKOAbstract:
Plasmastealthtechnologyisanimportantmethodtoimprovethestealthperformanceofaircraft.ThispaperusestheMethodofMomenttostudytheelectromagneticscatteringcharacteristicoftheplasmaradome.Thefamous3-DEMsoftwareFEKOisusedtomodeltheplasmaradomeandanalyzetheinfluenceoftheplasmaConcentrationtotheEMscatteringperformanceoftheradome.Keywords:
Plasma,Radome,FSS,AltairFEKO1引言引言等离子体被称为物质的第四态,它是由大量自由电子、自由离子和中性粒子混合而成的非束缚宏观体系。
因为其除了未电离的中性粒子外,还含有密度近似相等的自由电子和正离子,因此当电磁波与等离子体相互作用时,显示出不同于一般导体或介质的特性。
利用等离子体与雷达波的相互作用,从而吸收雷达波、衰减反射信号,实现隐身。
与目前广泛应用的隐身技术相比,等离子体隐身技术在军事上具有极高的潜在应用价值,将成为隐身技术发展新的突破方向。
本文通过研究等离子体在天线罩夹层中的介电常数空间分布特性,在FEKO1中利用矩量法及多层快速多极子方法(MLFMM),研究了考虑介质壳体影响的等离子体隐身天线罩电磁散射特性。
2理论模型理论模型由于转向传动机构的零部件比较多,现选择受力情况比较复杂的转向臂、进行有限元分析。
RCS是评价等离子体隐身天线罩散射特性的重要技术指标。
分析电磁散射特性的方Altair2015技术大会论文集-2-法很多,例如有限元法、时域有限差分法、矩量法等。
矩量法是一种基于电流的方法,它通过求解目标在外界激励下的感应电流进而求解感应电流产生的散射场。
研究等离子体的电磁散射特性,首先要了解等离子体的介电常数模型。
等离子体的介电常数有三种模型,它们是Lorentz-Drude模型、Drude模型和德拜模型。
对于大气及密闭空间等离子体,我们使用Drude模型,因为该模型反映了气体分子没有约束振动的实际情况。
Drude模型可以表示为:
jvpr21其中是等离子体频率,它和电子密度有关,并且是空间位置函数,是碰撞频率与粒子密度、温度有密切关系。
通常情况下,粒子碰撞频率不为零,介电常数具有虚部,物理上表现为等离子体对电磁波会产生损耗,电磁散射特性使用麦克斯韦方程组求解。
等离子体隐身的机理有很多,其中最常见的有折射隐身和吸收隐身。
不均匀非磁化等离子体的折射率可以近似地表示为:
2021eemenn由于等离子体的折射率与等离子体的自由电子密度有关,适当设计等离子体的密度分布,使入射到等离子体内部的电磁波向外弯曲,使雷达回波偏离敌方雷达的接收方向,使目标难以被敌方雷达发现,从而实现对雷达波的折射隐身。
同时等离子体也具有高通滤波器的性质,当雷达频率低于等离子体频率时,等离子体的折射率出现虚部,电磁波在传播方向上按指数衰减,沿传播方向的平均传输功率为零,即电磁波不能在等离子体中传播,电磁波将被等离子体完全反射,此时等离子体能以电磁波反射体的形式对雷达进行电子干扰。
当雷达频率大于等离子体频率时电磁波入射到等离子体内部,此时等离子体中带电粒子在传播过程中必然会遇到各种形式的碰撞,等离子体通过碰撞吸收大部分入射波的能量。
RCS是评价等离子体隐身天线罩散射特性的重要技术指标。
分析电磁散射特性的方法很多,例如有限元法、时域有限差分法、矩量法等。
矩量法是一种基于电流的方法,它通过求解目标在外界激励下的感应电流进而求解感应电流产生的散射场。
当等离子体密度的起伏相对电磁波传播方向呈缓慢变化的时候,可将等离子体体划分为一系列密度均匀分布的等离子体亚层,从而用来近似非均匀分布的等离子体。
假设外加磁场B0沿着Z轴方向,平行于电磁波矢量的方向并垂直于各个亚层。
对于有限厚度的等离子体层可以做非磁化的离子近似,则在一个亚层中线性化的动量方程可以写为:
eeemeeeVmvBVEetVm0Altair2015技术大会论文集-3-iiimiiVmveEtVm其中,e、m和V分别代表元电荷、粒子质量和粒子速度,下标e、i分别代表电子和带正电的离子。
描述电磁波在一个等离子体亚层中传播的麦克斯韦方程可以写成:
tJtEeE02221电流密度J可以写成:
EVenVenJiiee其中是电导率。
沿着Z轴正向传播的平面简谐电磁波能够写成:
0exptjEE根据平面简谐电磁波方程及空间分布介电常数模型,在FEKO利用矩量法及多层快速多极子,从而可求得等离子体的电磁散射特性及透射特性。
3计算结果分析计算结果分析以典型的A夹层天线罩为例,芯层设置为等离子体层,内外分别为玻璃布蒙皮。
在FEKO中建立等离子体隐身天线罩模型,如图一所示:
图1等离子体隐身天线罩外蒙皮等离子体层内蒙皮Altair2015技术大会论文集-4-其中,内外蒙皮厚度为1mm,介电常数为4.2,损耗角正切为0.05,等离子体层厚度为30mm,介电常数采用Drude模型,使用等离子体密度为变量进行对比计算及分析,计算过程中在天线罩内部设置有模拟天线。
计算结果见图2:
等离子体隐身天线罩RCS计算结果对比-40-35-30-25-20-15-10-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5051015202530354045角度()RCS(dBsm)A状态B状态C状态图2等离子体隐身天线罩RCS计算结果对比其中A状态:
等离子体密度为108/cm3;B状态:
等离子体密度为1010/cm3;C状态:
等离子体密度为1012/cm3;从计算结果可以看出,当等离子体密度为1012/cm3时,可显著降低天线罩的前向RCS,其RCS值比等离子体密度为1010/cm3时的状态下降低约15dB。
在侧向,等离子体的浓度变化对天线罩RCS影响较小。
4结论结论本文应用FEKO软件的矩量法和多层快速多极子算法对等离子体隐身天线罩的电磁散射特性进行了仿真计算,分析了等离子体浓度对天线罩电磁散射特性的影响。
结果显示等离子体浓度对天线罩的电磁散射特性有较大影响,随着浓度的升高,天线罩的电磁散射特性趋向于金属表面的镜面反射。
5参考文献参考文献1FEKO7.0UsersManual
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- 基于 FEKO 等离子体 隐身 天线罩 研究