等离子体柱阵列应用于目标隐身的可行性分析

程 立，徐延亮，高永芳

（电子工程学院，合肥230037）

0 引 言

等离子体隐身技术是等离子体技术在军事上的典型应用。经过合理的设计，等离子体的特征参数可满足特定的需求，使照射至等离子体层上的雷达波一部分被吸收，使返回雷达接收机的能量很少，从而使飞机、导弹、舰艇、坦克等目标的回波大为减弱，达到很好的隐身效果。

目前研究等离子体隐身特性的常用模型是在金属平板上覆盖等离子体平板。本文设想了等离子体平板层的一种实现方式——等离子体柱阵列技术。文中利用CST 进行电磁波与等离子体柱阵列相互作用的仿真计算，分析了金属板覆盖等离子体柱阵列后的后向散射和双站散射特性，并与金属板覆盖等离子体平板后的散射衰减特性进行了对比，分析了等离子体柱阵列应用于目标隐身的可行性。

1 等离子体柱阵列技术

等离子体隐身技术实现的一般方法是利用等离子体发生器、发生片或者放射性同位素在武器表面形成一层等离子云。采用这种方法有几个难点：难以在目标表面形成均匀持续的等离子体层（主要是气流外形结构的影响）；在欺骗对方雷达的同时也会屏蔽自己，影响正常通信等；在外层真空环境中活动的装备，在其外表形成等离子层的困难很大；低空中一定密度的等离子体不易产生和维持；对开放或半开放目标，等离子体对其上的人员与技术装备也会有不利的影响；用电弧放电的方法产生等离子体的同时，会产生射频辐射 （可见光和紫外线），同时等离子体复合时也会产生辐射。这些缺点是等离子体隐身技术迟迟没能运用到现实中的重要原因。为了克服这些缺点，李毅等人曾研究过闭式等离子体隐身技术。

本文设想了封闭等离子体层的一种实现方式——等离子体柱阵列技术，即以圆柱形腔封闭等离子体形成单根等离子体柱，圆柱等离子体结构以一定方式排列形成阵列，从而得到一个类等离子体平板层结构，其示意图如图1 所示。其中，多根等离子体柱紧密平行排列组成一个单层等离子体柱阵列结构。以同样的方式可以组成多层或交叉的阵列结构，抑或根据实际需求组成所要的结构。

图1 等离子体柱阵列单层结构示意图

在实际实验研究中，等离子体柱可以通过以下方式实现：用圆柱形放电管封闭特定的可实现放电的气体，采用特制放电装置，通过在放电管加电从而可在放电管内实现气体放电，进而产生并形成稳定存在的等离子体。

等离子体与普通吸波材料类似，其吸波性能也与其相对介电常数εr有关。对于圆柱形放电管来说，在无外加磁场时，其产生的是非磁化等离子体。若忽略离子的影响，非磁化等离子体的相对介电常数可写为：

式中：ω为入射雷达波角频率；ωpe为等离子体电子振荡角频率；v 为等离子体碰撞频率。

从上式可以看出，等离子体的介电常数与入射波角频率ω有关，此外，由其自身的电子密度ne与碰撞频率v 决定，应用时，等离子体的隐身效果还与等离子层厚度d 有关。因此，适当选择等离子体参数，并实现对参数的控制，即可实现对等离子体隐身效果的控制。在等离子体柱阵列结构中，等离子体的密度可通过调整放电管两端的电压进行控制，等离子体的碰撞频率可通过对放电管内填充的气体和气压进行选择从而进行控制，等离子体阵列的厚度由放电管的直径决定。

2 CST Microwave Studio 特点

CST Microwave Studio 是一个快速精确的专用于微波无源器件及天线仿真、分析和设计的软件包，其应用范围包括：耦合器、滤波器、环流器、隔离器、谐振腔、平面结构、连接器、电磁兼容、集成电路封装以及各类天线和天线阵。其显著特性就是采用了Method on Demand 技术，可以根据不同的问题选择合适的求解器和网络类型。

应用CST 研究关于等离子体方面的仿真时，在材料特性中能够直接选择Drude 与Gyrotropic 模型来表示非磁化和磁化冷等离子体，构建等离子体模型和描述等离子体参数比较方便，这也是本文选用此软件作为仿真工具的重要原因。

3 等离子体柱阵列覆盖金属板后的散射衰减特性

本小节主要比较相同厚度的等离子体柱阵列和平板覆盖金属板后，在不同极化平面波入射时对金属平板后向散射衰减和双站散射衰减的差异，分析等离子体柱阵列应用于板状金属目标隐身的可行性。

仿真所采用的金属板长为50cm，宽为30cm，厚度为0.3cm。等离子体柱阵列由九根直径为3cm的均匀等离子体柱并排组成，等离子体平板为3cm厚的均匀等离子体层。计算中假设柱状和平板等离子体电子密度均匀，取电子密度Ne＝1×1 017／m3，碰 撞 频 率 分 别 取vem＝1GHz ，5GHz 和10GHz 。

3.1 后向散射衰减特性

入射平面波沿＋z 方向入射，矢量H平行于y轴的情况为TE 波，矢量E 平行于y 轴的情况为TM波，如图2 所示。下面分别考察TE 波入射和TM波入射时的后向散射衰减。

图2 平面波正入射到等离子体覆盖的金属板

图3（a）和（b）分别为TE 波正入射时等离子体柱阵列和平板对金属板的后向散射衰减，通过对比可看出，两者衰减差别不是很大。当碰撞频率较小时，柱阵列覆盖的衰减带宽要宽于平板覆盖的衰减带宽，如当vem＝5GHz 时，对应－5dB 衰减的频带分别为6 ～9GHz 和6.9 ～8.5GHz ；当碰撞频率较大时，柱阵列的衰减峰值稍微小于平板的衰减峰值，但衰减带宽要增大。如当vem＝10GHz 时，柱阵列的衰减峰值为－20dB，对应－10dB 的衰减带宽为6.7 ～8.4GHz ；平板的衰减峰值为－24dB，对应－10dB的衰减带宽为7 ～8.2GHz 。

图3（c ）和（d）分别为TM波正入射时等离子体柱阵列和平板对金属板的后向散射衰减结果，通过对比可看出，柱阵列的衰减明显大于平板的衰减，并且低频端出现新的衰减带。如当碰撞频率vem＝10GHz 时，柱阵列和平板覆盖时衰减－5dB 对应的频带分别在2.4 ～4GHz ，5.5 ～9GH z 和6.8 ～8.5GHz 。当碰撞频率vem＝10GHz 时，柱阵列和平板覆盖时衰减－5dB 对应的频带分别在2 ～10GHz 和6 ～10GHz 。

TM波正入射柱阵列覆盖的金属板时，其后向散射衰减结果中出现新的衰减带的原因可能是因为当TM波入射到圆柱状等离子体时能够在等离子体表面上发生线性模转换共振吸收现象，从而增加了新的吸收带。

通过上面分析可知：

（1）对于TE 波，柱阵列对金属板的后向散射衰减与平板对金属板的后向散射衰减性能相差不大。

（2）对于TM波，柱阵列覆盖金属板后要增加新的吸收频带，其后向散射衰减要明显好于平板覆盖金属板后的后向散射衰减。

图3 等离子体平板与柱阵列覆盖金属板的后向散射衰减值

3.2 双站散射衰减特性

在分析了等离子体柱阵列和平板对金属板的后向散射衰减以后，为了增加结论的普适性，下面将研究两者对金属平板的双站散射衰减。利用图2 坐标系，入射平面波方向在xoz 平面内，且与z 轴成15°夹角，则后向散射方向在与z 轴成－15°的方向上。下面将分别考察TE 波和TM波入射时的双站散射衰减。

图4 为在TE 波和TM波入射时，等离子体柱阵列和平板对金属板的双站散射衰减。对比图3 和图4 可知，对于TE 波和TM波入射的情况，等离子体平板和柱阵列对金属板的双站散射衰减特性与上述分析的后向散射衰减特性一致：对于TE 波入射两者差别不大；对于TM波入射，柱阵列的衰减要明显大于平板的衰减。

图4 等离子体平板与柱阵列覆盖金属板的双站散射衰减值

4 结论

通过以上分析可得出以下结论：

（1）对于TE 波，等离子体柱阵列对金属板的散射衰减与等离子体平板对金属板的散射衰减相差不大；对于TM波，柱阵列的散射衰减要大于平板散射衰减。

（2）通过分析TE 波入射和TM波入射时等离子体柱阵列和平板对金属板的后向散射衰减及双站散射衰减，可以看出利用等离子体柱阵列覆盖目标实现对目标的散射衰减是完全可行的。

［1］Laroussi M，Vidmar R J.Numerical calculation of the reflection，absorption and transmission of microwaves by anonuniform plasma ［J ］.IEEE Transactions on Plasma Science ，1990 ，2（4）：733－741.

［2 ］Igor A，Weng L K.A plasma stealth antenna for the US navy［A］.IEEE International Conference on Plasma Science［C］，1998.277－282.

［3］马洪霞.等离子体技术在军事和航天领域的应用 ［J ］.科技创新导报，2009（7）：2－3.

［4］李毅，张伟军，莫锦军，等.闭式等离子体隐身技术及等离子 体 参 数 的 优 化 ［J ］.微 波 学 报，2008 ，24 （1 ）：23－25.

［5］庄钊文，袁乃昌，刘少斌，等.等离子体隐身技术［M］.北京：科学出版社，2005.