龙伯透镜反射器散射仿真.pdf
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Altair2015技术大会论文集-1-龙伯透镜反射器龙伯透镜反射器散射散射仿真仿真RadarscatteringsimulationofLuneburg-LensReflectors杨晨晨(南京航空航天大学南京210016)摘摘要要:
借助于FEKO软件,对多层介质球的电磁散射问题进行了仿真研究。
多层介质球的仿真一般需要消耗极大的计算资源和时间,而基于FEKO的多层快速多级子算法(MLFMM)正好可以较好地解决此类问题。
龙伯透镜作为一种多层介质球,在构造散射反射器和透镜天线方面有运用。
本文研究了反射板形状和大小对龙伯透镜反射器散射大小的影响。
关键词关键词:
多层介质球龙伯透镜散射反射器FEKOMLFMMAbstract:
WiththehelpofFEKOsoftware,theradarscatteringproblemofmultilayerdielectricsphereisstudied.Thesimulationofmultilayerdielectricsphererequiresmuchcomputingresourcesandtime,whileMLFMMbasedonFEKOcansolvethistypeofproblemwell.Luneburg-Lensasonekindofmultilayerdielectricsphere,hassomeapplicationsinradarscatteringreflectorsandlensantennas.TheradarscatteringofLuneburg-Lensreflectorswithdifferentreflectplatesaresimulatedandcomparedinthispaper.Keywords:
Multilayerdielectricsphere,Luneburg-Lens,radarscatteringreflectors,FEKO,MLFMM1概述概述现有的雷达反射器有两种,一种是熟知的角反射器,另一种就是龙伯透镜反射器(以下简称龙伯反射器)。
龙伯透镜,又称龙伯球、龙波球或伦伯球,是一种多层分层介质球,其外层的相对介电常数与空气相同或接近,越向球心介电常数越大,这样构成的龙伯透镜对入射的平面波有较强的聚集作用1。
当平面波入射到透镜上时,经透镜而被聚焦到与此平面波前垂直的直径的另一端。
在焦点或焦平面处放置反射装置即构成龙伯反射器,如图1.(a)所示,能够实现对平面波的能量反射,从而得到较大的散射。
反射装置替换为馈源时可构成龙伯透镜天线,具有波束扫描功能。
龙伯反射器应用范围很宽,可以提供海陆空军事设备雷达回波增强或电子对抗假目标和伪装等。
龙伯透镜是球形透镜,其折射系数n是球体中心至球面距离r的函数:
Altair2015技术大会论文集-2-)10
(2)(121rrrn
(1)其中,1r为球表面为1时的归一化半径,即Rrr1,故
(1)可变为:
22)(Rrrn
(2)所以,介电常数分布为:
22)(Rrr(3)平面波前平行射线反射板龙伯透镜介质球层(a)(b)图1龙伯透镜反射器(a)原理;(b)论文提供的三层龙伯球参数理论上的龙伯透镜的介电常数是连续渐变分布的,但自然界中不存在这样的理想介质,故在实际设计中常用分层设计的离散球壳来逼近连续渐变的理想介电常数2。
球体尺寸、介质属性、层数、反射板形状、尺寸和位置等都会影响龙伯反射器散射。
反射板的作用是将球体汇聚的电磁能量反射,板子形状、尺寸和位置对龙伯反射器散射特性具有较大影响。
本文重点研究反射板形状和大小在改变散射特性上的规律。
2多层介质球建模和仿真多层介质球建模和仿真根据论文3提供的龙伯反射器模型,其结构和参数在图1.(b)中给出,在FEKO电磁仿真软件中对此进行建模,模型如图2所示。
该反射器由3层介质和外层空气组成,从内到外,3层介质反射率和厚度分别为1.4、1.34、1.22和1.134、0.719和0.793(英寸)。
利用上述公式2和3的关系,可求得3层介质的相对介电常数分别为1.96、1.7956和1.4884。
空气层介电常数和厚度是1和0.4英寸。
在FEKO中选择使用MLFMM算法,设置工作频率为10GHz,平面波在为-90-90范围以2为间隔循环入射,求解方式为单站散射。
通过计算得到该三层介质球在10GHz的单站散射,没有反射板的透镜的单站散射强度较弱,图3所示。
Altair2015技术大会论文集-3-图2FEKO中多层介质球模型图3多层介质球单站散射(频率10GHz)3龙伯透镜反射器龙伯透镜反射器散射散射仿真仿真在多层介质球的焦点或焦平面处安装金属反射板即构成了龙伯反射器。
参考文献3给出三种龙伯反射器,其区别在于反射板形状和大小,图4所示。
第一种为120球面反射板,其余两种为圆面板,一个是直径0.95英寸圆面板,另一个是直径0.475英寸圆面板。
在FEKO中分别对这三种龙伯反射器进行建模和仿真计算,将得到的单站散射与论文给出的数值计算和测试结果对比,发现使用FEKO仿真得到的结果是非常接近的,图5-7所示。
(a)(b)(c)图4具有不同反射板的龙伯反射器(a)120球面;(b)直径0.95英寸圆面;(c)直径0.475英寸圆面Altair2015技术大会论文集-4-图5第一种龙伯反射器散射的FEKO仿真结果和论文结果对比(垂直极化)图6第二种龙伯反射器散射的FEKO仿真结果和论文结果对比(垂直极化)图7第三种龙伯反射器散射的FEKO仿真结果和论文结果对比(垂直极化)图8给出三种龙伯反射器与无反射板的裸球散射的对比结果,可以发现:
加载反射板之后,该多层介质球的单站散射得到明显增强,在10GHz条件下,为0的散射增幅为20-25dB。
反射板形状影响散射波束宽度,120球面板散射的增幅角度宽度接近120,而圆面板散射增幅宽度大约30-40。
同一形状,反射板大小影响散射波束宽度和增幅,小反射板反射电磁能量较少,因此小圆面板的散射增强能力不如大圆面板。
Altair2015技术大会论文集-5-(a)(b)图8三种龙伯透镜反射器单站散射结果对比(a):
直角坐标系;(b):
极坐标系表1给出龙伯透镜即裸球及其三种反射器的FEKO网格数和消耗的资源。
本文仿真采用FEKO提供的标准(Standard)网格剖分大小(十二分之一波长),每一个模型网格数都超过六万个。
若采用默认的MoM,其计算量巨大,时间也非常长,MLFMM在同样网格精度和数目前提下,可以极大提高计算速度,节省计算资源,一般工作站可以承受。
采用MLFMM计算复杂介质问题是FEKO一大优势。
表1龙伯透镜及其三种反射器的FEKO网格数和消耗资源类别网格数目/个计算时间/h消耗内存/GHz无反射器的三层介质球626202.822第一种龙伯透镜反射器(120球面反射板)797382.531第二种龙伯透镜反射器(0.95英寸圆面反射板)628282.325第三种龙伯透镜反射器(0.475英寸圆面反射板)626702.2244总结总结本文在现有文献基础上,研究了三层介质球及其构造的龙伯透镜反射器单站散射仿真问题。
使用FEKO软件对龙伯反射器进行建模,选用合适的MLFMM算法,得到的仿真结果与论文提供的数值计算和测试结果基本一致,验证了本文提供仿真方法的正确性,也表明了FEKO软件在仿真多层介质问题的优势。
5参考文献参考文献1吴旭,朱卫华,孟洁.龙伯透镜的仿真优化分析J.通信技术,2011,44(3):
15-20.2陈静.龙伯透镜分层介质球的设计与计算J.光电对抗与无源干扰,1997,
(1):
1-5.3LiangCS,StreaterDA,JinJM,etal.AquantitativestudyofLuneberg-lensreflectorsJ.IEEEAntennas&PropagationMagazine,2005,47:
30-42.
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