王一珺,艾俊強(qiáng),崔 力,張維仁

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,西安 710089)

0 引 言

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)具有典型的腔體散射特征,常位于機(jī)身表面,也是飛行器主要散射源之一[1]。隱身性能是現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的重要設(shè)計(jì)要求之一,目前有多種手段縮減腔體結(jié)構(gòu)的電磁散射,在腔體前加裝格柵也是主要措施之一。例如,RQ170無人機(jī)和F-117飛機(jī)在進(jìn)氣道進(jìn)口加裝格柵,利用格柵屏蔽絕大部分雷達(dá)波,使其無法進(jìn)入進(jìn)氣道腔體。

文獻(xiàn)[2-3]采用多層快速多極子方法分析了格柵結(jié)構(gòu)典型幾何參數(shù)的變化對(duì)電磁散射特性的影響,并開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步驗(yàn)證,但其計(jì)算量較大,僅適合有限頻點(diǎn)的仿真分析。文獻(xiàn)[4]從電磁屏蔽與波導(dǎo)傳輸理論的角度解釋了格柵的電磁屏蔽原理,并基于多層快速多極子法對(duì)非均勻矩形格柵進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究,該方法計(jì)算精準(zhǔn)度高但研究周期較長。另一方面,對(duì)于波在周期結(jié)構(gòu)中的傳播,前人已經(jīng)進(jìn)行了充分的研究及成熟的理論成果轉(zhuǎn)化,文獻(xiàn)[5-8]利用Floquet定理,將研究對(duì)象由周期特性的格柵結(jié)構(gòu)簡化為一個(gè)格柵單元。

本文采用波導(dǎo)傳輸理論闡明格柵的電磁場(chǎng)屏蔽功能,通過5組格柵單元設(shè)計(jì)參數(shù)描述均勻菱形格柵特征,利用Floquet定理快速對(duì)不同參數(shù)組合模型寬頻帶(0.3～18 GHz)進(jìn)行仿真計(jì)算和極化分析,定義可屏蔽帶寬占比直觀表征均勻格柵的隱身效果。此外,在規(guī)律總結(jié)與參數(shù)優(yōu)選的基礎(chǔ)上,建立加裝優(yōu)化參數(shù)格柵的進(jìn)氣腔體模型,并設(shè)計(jì)低散射載體,采用多層快速多極子法進(jìn)行散射特性仿真,驗(yàn)證變參數(shù)規(guī)律及格柵對(duì)腔體散射屏蔽的有效性。

1 計(jì)算方法

1.1 屏蔽原理與計(jì)算方法

(1)

(2)

式中:kx和ky為基波的傳播常數(shù);ω為角頻率;t為時(shí)間;m和n表示x和y方向的周期數(shù);vφx和vφy為x和y方向的相速。借助式(1)和式(2)可以在計(jì)算周期性結(jié)構(gòu)的空間電磁場(chǎng)分布時(shí)引入周期性邊界條件[6]。格柵材質(zhì)為理想導(dǎo)體,單元形狀選為菱形,格柵兩端介質(zhì)均為空氣,可用S參數(shù)聯(lián)系入射波與反射波[9],將格柵對(duì)電磁波的屏蔽問題轉(zhuǎn)化為入射波的透射問題,后續(xù)分析傳輸系數(shù)S21。菱形格柵單元的屏蔽原理與文獻(xiàn)[4]中矩形單元類似,同樣可以利用波導(dǎo)模式傳輸理論進(jìn)行分析。

1.2 格柵可屏蔽帶寬占比定義

為了更直觀地定量表征格柵屏蔽效果,本文將定義一個(gè)參數(shù)——可屏蔽帶寬占比η,見公式(3):

(3)

式中:取屏蔽效能為-10 dB的頻點(diǎn)f0為屏蔽頻率,相應(yīng)的波長為屏蔽波長λ0;fmax和fmin分別為入射頻帶內(nèi)最高和最低頻點(diǎn)。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)與模型設(shè)計(jì)

幾何參數(shù)化建模是開展進(jìn)氣格柵隱身性能綜合優(yōu)化的基礎(chǔ)。根據(jù)菱形格柵單元的幾何特點(diǎn),單孔模型見圖1,定義特征幾何參數(shù)如表1所示。本文首先利用商業(yè)軟件HFSS進(jìn)行格柵的參數(shù)化幾何建模,采用Floquet端口激勵(lì),將模型作為理想導(dǎo)體處理,所有模型自帶5°俯仰角。

表1 幾何參數(shù)定義及符號(hào)Tab.1 Definitions and notations of geometrical parameters

圖1 單孔模型正視圖和側(cè)視圖Fig.1 The front and side views of one cell structure

3 結(jié)果分析

3.1 初步分析

格柵孔徑邊長是影響格柵電磁屏蔽效能的重要參數(shù)。首先研究某一固定頻率電磁波垂直XOY平面入射時(shí),孔徑邊長L電尺寸屏蔽效能,從而選定L的初步研究范圍。依照相關(guān)各型雷達(dá)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),針對(duì)飛行器X頻段的雷達(dá)數(shù)量最多,約占總量的30%。因此,將格柵能否屏蔽X頻段頻率作為首要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在X頻段范圍內(nèi),選取頻率為9.375 GHz,波長λ=32 mm電磁波進(jìn)行研究,僅改變格柵孔徑邊長(分別令L=4λ,2λ,3λ/2,1λ,3λ/4,λ/2,λ/4,λ/8,λ/16),仿真分析9組模型的傳輸系數(shù)S21,不同孔徑邊長不同極化下的屏蔽效能見表2。從表中可以看出,屏蔽效能隨著格柵孔徑邊長的減小而逐漸增強(qiáng),當(dāng)L>λ/2時(shí),格柵對(duì)于電磁波沒有屏蔽效果;L<λ/4時(shí),可以實(shí)現(xiàn)電磁波的完全屏蔽。后續(xù)重點(diǎn)研究寬頻帶下,λ/2>L>λ/4(8～16 mm)范圍內(nèi)不同格柵孔徑尺寸的電磁屏蔽特性。

表2 不同格柵孔徑邊長屏蔽效能Tab.2 The shielding effectiveness of various cell edge lengths

3.2 不同格柵孔徑邊長的電磁散射特性

令格柵孔徑邊長L分別為8 mm,10 mm,12 mm,14 mm,16 mm,其他參數(shù)為w=1 mm,h=5 mm,φ=60°,θ=90°,分析0.3～18 GHz的屏蔽效能,S21曲線見圖2,屏蔽頻率和可屏蔽帶寬占比見表3。

表3 不同格柵孔徑邊長TE和TM極化屏蔽性能Tab.3 Shielding effectiveness of different cell edge lengths for TE and TM polarization

(a)TE極化

隨著L增大,諧振頻點(diǎn)向低頻移動(dòng),屏蔽性能呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)。當(dāng)孔徑尺寸L=8 mm,TE極化和TM極化幾乎可以屏蔽考察頻段;10 mm可以屏蔽X頻段;12 mm,14 mm,16 mm屏蔽頻率低于X頻段且可屏蔽帶寬占比不足0.5。

3.3 不同格柵傾角的電磁散射特性

腔體結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)模型,在改變腔體傾角φ后,會(huì)改變電磁波在空腔內(nèi)壁的反射路徑,從而改變散射回入射方向的反射場(chǎng)。本節(jié)探究不同傾角下格柵結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽能力,分別計(jì)算傾角φ=90°,60°,50°,40°,30°,20°的格柵傳輸系數(shù)S21。此時(shí),L=10 mm,h=5 mm,w=1 mm,θ=90°。圖3給出了φ=30°的格柵側(cè)視圖。S21曲線見圖4,屏蔽頻率和可屏蔽帶寬占比見表4。

表4 格柵傾角TE和TM極化屏蔽性能Tab.4 Shielding effectiveness of cell tilt angles for TE and TM polarization

圖3 φ=30°格柵側(cè)視Fig.3 The side view of cell when φ=30°

(a)TE極化

隨著格柵傾角的減小屏蔽效能逐漸改善,但格柵傾角從90°～60°性能提升微弱,60°～20°時(shí)屏蔽效能提升明顯。φ<60°時(shí),TE極化和TM極化均可實(shí)現(xiàn)X頻段內(nèi)的完全屏蔽;傾角φ<30°時(shí),TE和TM極化下,考察頻帶內(nèi)的完全屏蔽。

3.4 不同格柵深度的電磁散射特性

選取格柵深度h從3～9 mm,以2 mm為間隔的4組模型,其余參數(shù)為L=10 mm,w=1 mm,φ=60°,θ=90°,計(jì)算結(jié)果S21曲線見圖5,屏蔽頻率和可屏蔽帶寬占比見表5。

表5 格柵深度TE和TM極化屏蔽性能Tab.5 Shielding effectiveness of cell depths for TE and TM polarization

(a)TE極化

深度不同時(shí),TE極化和TM極化衰減趨勢(shì)相同;隨著深度的增加,屏蔽頻率帶寬相應(yīng)增大、屏蔽頻率顯著提高,但截止頻率由于L沒有發(fā)生改變從而不發(fā)生改變。深度h>5 mm后,可以實(shí)現(xiàn)X頻段的完全屏蔽;隨著格柵厚度的增加,觀測(cè)頻帶內(nèi)S21均值降低,格柵屏蔽效能提升。

3.5 不同格柵線寬的電磁散射特性

其余格柵參數(shù)不變情況下,改變格柵線寬w,研究格柵線寬改變對(duì)電磁屏蔽的影響程度。令w從0.5～1.5 mm,以0.5 mm為間隔進(jìn)行仿真,L=10 mm,h=5 mm,φ=60°,θ=90°,計(jì)算結(jié)果S21曲線見圖6,屏蔽頻率和可屏蔽帶寬占比見表6。隨著格柵線寬的增大,模型屏蔽頻率提高,同時(shí)可屏蔽帶寬所占比例也在增加。然而對(duì)比w=0.5 mm與w=1.5 mm,在w增大3倍的情況下,格柵可屏蔽帶寬占比增加緩慢。因此可以發(fā)現(xiàn),格柵線寬改變對(duì)電磁屏蔽的影響程度較小。

圖6 格柵線寬0.5～1.5 mm TE和TM極化S21曲線Fig.6 S21 curves of cell wire thicknesses ranging from 0.5 mm to 1.5 mm for TE and TM polarization

3.6 不同格柵兩邊夾角的電磁散射特性

為研究不同兩邊夾角時(shí)格柵的電磁散射特性,建立θ=70°,90°,110° 3組仿真模型。如前所述,經(jīng)歷4組參數(shù)變參數(shù)分析后,模型參數(shù)定義為L=10 mm,w=1 mm,φ=60°,h=5 mm,仿真結(jié)果如圖7和表7所示。

表7 格柵兩邊夾角參數(shù)影響Tab.7 The impact of parameters on the angle of cell adjacent edges

(a)TE極化

TE極化和TM極化結(jié)果呈現(xiàn)相反的增減趨勢(shì)。即隨著兩邊夾角的增加,TE極化下格柵屏蔽性能越來越強(qiáng),TM極化下格柵屏蔽性能越來越差。θ=110°時(shí),TE和TM極化屏蔽效能相差近50%;θ=70°時(shí),TE和TM極化屏蔽效能相差大于30%;θ=90°時(shí),TE和TM極化屏蔽效能相差5%左右,且可以實(shí)現(xiàn)X頻段內(nèi)完全屏蔽。

4 帶格柵腔體散射特性分析

前文已討論并總結(jié)出了5組計(jì)算范圍內(nèi)的最優(yōu)參數(shù),即L=8 mm,w=1.5 mm,φ=20°,h=9 mm,θ=90°,在腔體前采用該組格柵單元參數(shù)建立格柵模型,并設(shè)計(jì)低散射載體,計(jì)算帶格柵腔體在掠入射下的散射特性,以驗(yàn)證格柵對(duì)腔體的屏蔽效能。

4.1 載體和腔體模型

設(shè)計(jì)低散射載體如圖8所示,基于進(jìn)氣要求在格柵下端連接一段進(jìn)氣腔體,其中載體和格柵均為理想導(dǎo)體。由于飛機(jī)頭向±30°一般為重要雷達(dá)威脅角域,采用多層快速多極子算法計(jì)算9.375 GHz遠(yuǎn)場(chǎng)平面波大角度斜入射的RCS;與此同時(shí),依照其入射角度(天頂角85°,方位角0°),對(duì)格柵按照周期邊界條件進(jìn)行屏蔽性能仿真。

圖8 加裝格柵的低散射載體俯視圖和側(cè)視圖Fig.8 The top and side view of a low RCS carrier with duct with grille at inlet

4.2 結(jié)果對(duì)比分析

封閉載體、開口空腔以及加裝格柵空腔3種情況的散射特性,計(jì)算結(jié)果見圖9,格柵的屏蔽性能見圖10。

(a)HH極化

圖10 格柵結(jié)構(gòu)TE和TM極化S21曲線Fig.10 S21 curves of cell structure at TE and TM polarization

從圖9中可以看出,HH極化下,加裝格柵后RCS與封閉載體較為吻合,比開口空腔散射均值降低約20 dB,VV極化下加裝格柵后RCS均值降低約37 dB。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),在45°附近存在一個(gè)波峰(C峰),初步分析為格柵邊界形成的波峰。此外,還存在A峰和B峰,可能為柵瓣。

從圖10可以看出,格柵在同樣入射角下的模型電磁屏蔽效率,可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)頻帶內(nèi)的完全屏蔽,且傳輸系數(shù)S21在18 GHz時(shí)最差,為-34.8 dB,屏蔽效能大于99%;入射波頻率9.375 GHz時(shí),TE和TM極化下傳輸系數(shù)S21分別為-139.5 dB和-69.17 dB,與表2中L=8 mm相比,分別降低近7倍與4倍。

綜合上述分析可知,優(yōu)選單元參數(shù)的格柵屏蔽效能較好,應(yīng)用其到加裝格柵的腔體中能夠在水平極化和垂直極化下將腔體散射抑制到低RCS水平。

5 結(jié)束語

本文基于Floquet定理計(jì)算了格柵的屏蔽性能,分析比較了菱形格柵單元的5個(gè)典型參數(shù)不同極化下電磁屏蔽的變化規(guī)律,得到如下結(jié)論:參數(shù)對(duì)格柵電磁屏蔽效能的影響不同,屏蔽效能與格柵孔徑尺寸、格柵傾角呈負(fù)相關(guān),與格柵深度、格柵線寬呈正相關(guān);格柵兩邊夾角變化導(dǎo)致TE極化模式和TM極化模式呈現(xiàn)相反變化趨勢(shì)。采用優(yōu)化后參數(shù)建立加裝格柵的腔體模型分析斜入射的散射特性,驗(yàn)證了上述規(guī)律的有效性。本文提出的方法可以為后續(xù)格柵結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計(jì)提供參考。

格柵在側(cè)向存在邊界峰值和柵瓣,在后續(xù)研究中需要關(guān)注。