張澤奎，王東紅，雷憶三，王 蓬，趙亞娟，張 榕

(1.電磁防護(hù)材料與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西 太原 030006)

基于超材料的RCS增強(qiáng)器設(shè)計

張澤奎1,2，王東紅1,2，雷憶三1,2，王 蓬1,2，趙亞娟1,2，張 榕1,2

(1.電磁防護(hù)材料與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西 太原 030006)

針對傳統(tǒng)的金屬面角反射器結(jié)構(gòu)形式固定、重量大的問題，提出了利用超材料結(jié)構(gòu)代替金屬面的設(shè)計方法。仿真結(jié)果表明，與同等尺寸的雙面角RCS增強(qiáng)器相比，超材料RCS雙面角增強(qiáng)器的RCS增強(qiáng)了2 dBsm。而與同等尺寸的金屬三面角反射器相比，超材料三面角反射器同樣具有良好的性能。因此，可以在雷達(dá)系統(tǒng)的性能檢驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，利用超材料RCS增強(qiáng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬面角反射器，達(dá)到增強(qiáng)RCS強(qiáng)度和減輕角反射器重量的目的。

超材料；雷達(dá)反射截面；微帶貼片；回波增強(qiáng)

0 引言

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷應(yīng)用對雷達(dá)系統(tǒng)的生存構(gòu)成了極大的威脅。雷達(dá)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其是否能有效地偵測到地方目標(biāo)，直接影響著戰(zhàn)爭的成敗[1]。目標(biāo)的雷達(dá)反射截面(RCS)是影響雷達(dá)對該目標(biāo)偵測距離的一個重要指標(biāo)[2]，地方目標(biāo)的RCS越小，雷達(dá)越不容易探測到該目標(biāo)。然而對己方小目標(biāo)的偵測跟蹤則希望其RCS盡可能大，從而使得雷達(dá)能做出有效的判斷。此外，在非戰(zhàn)爭期間，雷達(dá)系統(tǒng)的試驗(yàn)和軍事演習(xí)中[3]，不可能有真正的目標(biāo)用來驗(yàn)證雷達(dá)系統(tǒng)的性能，需要通過RCS增強(qiáng)器來模擬真正目標(biāo)的雷達(dá)反射特性，從而起到檢驗(yàn)武器的性能和降低雷達(dá)系統(tǒng)研制驗(yàn)證成本的目的[4]。

RCS增強(qiáng)器按照激勵方式分為有源和無源兩大類。有源回波增強(qiáng)器是由雷達(dá)信號接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)組成的一種寬頻帶的應(yīng)答轉(zhuǎn)發(fā)器[5]。其主要依靠自身電源發(fā)射回波。相對于有源RCS增強(qiáng)器，無源RCS增強(qiáng)器本身不帶有電源，只有等雷達(dá)波照射后才能反射回波，也叫被動式RCS增強(qiáng)器。常用的無源RCS增強(qiáng)主要包括3類：角反射器、龍伯透鏡和微帶貼片陣列[6]。無源反射器的主要功能是把雷達(dá)所輻射的平面波在一定的空間角范圍內(nèi)聚集，并且沿著雷達(dá)波照射的方向反射回去[7-8]。相對于角反射器和龍伯透鏡，微帶貼片陣列RCS增強(qiáng)器具有明顯的優(yōu)勢，如可共形、成本低、體積小和使用方便等，尤其適用于小目標(biāo)飛行器上[9]。角反射器應(yīng)用具有悠久的歷史，美國人就曾利用月球上放置的角反射器來計算地月之間的距離，精確度小于10 m，取得了很好的效果。英國于1985年9月展出的DLF-1橡皮鴨反導(dǎo)彈假目標(biāo)，由可充氣的八面體框架和嵌入框架內(nèi)的八面體角反射器構(gòu)成，在自由空間內(nèi)9 GHz情況下測量有效雷達(dá)散射截面為2 060 m2，可用來模擬真實(shí)的大目標(biāo)，從而保護(hù)己方目標(biāo)[10]。

本文研究了利用超材料提高目標(biāo)的RCS的原理，研究了超材料角反射器的性能。結(jié)果表明，超材料結(jié)構(gòu)具有改變反射波方向的特性，與傳統(tǒng)的金屬雙面角反射器相比，超材料雙面角反射器的RCS增大了約1.5 dBsm；與同等尺寸的金屬三面角反射器相比，超材料三面角反射器同樣具有良好的性能。

1 設(shè)計原理

超材料增強(qiáng)RCS的原理主要是通過改變反射波的相移量來實(shí)現(xiàn)的，其中通過改變每個單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變相移量是最普遍也是最簡單的方式。常用的單元類型主要有加載傳輸線型單元、尺寸可變型單元、旋轉(zhuǎn)型單元和槽縫型單元四大類。其中加載傳輸線型單元改變雷達(dá)反射波的相位是最早采用的微帶貼片形式，由尺寸固定的矩形或其他形狀的貼片和與其相連的一段終端開路的微帶線構(gòu)成，貼片結(jié)構(gòu)如圖1示。

圖1 幾種典型的加載傳輸線型單元

當(dāng)傳輸線和微帶貼片之間達(dá)到良好的阻抗匹配時，微帶貼片接收到的電磁波將完全進(jìn)入傳輸線，由于傳輸線末端處于開路狀態(tài)，將形成全反射。再次進(jìn)入微帶貼片的電磁波將形成二次輻射，二次輻射的電磁波和入射波之間存在一定的相位延遲，通過改變傳輸線的長度，可以控制該相位延遲量的大小，從而達(dá)到控制反射波方向的目的[11]。

對于超材料RCS增強(qiáng)器，單元之間的間距對反射波的大小和方向有著很大的影響。以二元陣列為例，其示意圖如圖2所示，單元之間的間距和入射電磁波方向之間的關(guān)系如下[12]：

(1)

式中，d為單元之間的距離；θ為反射波的方向；λ為工作頻點(diǎn)處的波長，為了使在一定長度內(nèi)排列更多的陣元以及柵瓣出現(xiàn)數(shù)量最少[13]，取n=1。

圖2 二元陣示意

2 超材料RCS增強(qiáng)器設(shè)計

2.1 單元設(shè)計

這里選用常用的加載傳輸線型結(jié)構(gòu)作為單元進(jìn)行研究，結(jié)果模型如圖3所示，接地金屬板的寬度和金屬貼片的寬度相等，皆為W，長度為L，金屬貼片為正方形結(jié)構(gòu)。

圖3 仿真單元模型

入射波頻率為12GHz，選用介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為2.2，厚度h=1.6 mm。根據(jù)阻抗匹配理論和微帶線理論計算可得，貼片的寬度W=8.4 mm，微帶線的寬度W1=0.4 mm，分別計算最佳反射角度為45°和54.7°的模型結(jié)構(gòu)尺寸，為應(yīng)用于二面角反射器和三面角反射器奠定基礎(chǔ)。

由式(1)計算可得，當(dāng)反射波方向?yàn)?5°時，單元之間的間距d=17.7 mm。仿真優(yōu)化得到微帶線的長度為L1=4.778 mm此時單元在工作頻點(diǎn)處的RCS值和同等尺寸的金屬板的RCS對比結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，與金屬面對電磁波的鏡面反射相比，超材料單元起到了改變反射波方向的作用，有效地提高了45°角反射波的強(qiáng)度。

圖4 最大反射角度為45°時的RCS對比

對于三面角反射器，單元之間的距離由式(1)計算得，d=15.32 mm。當(dāng)入射波垂直于口徑面入射時，入射波與每個面的夾角為35.3°，在仿真入射波的入射角需要偏移54.7°。仿真優(yōu)化得到當(dāng)微帶線的長度為L1=4.8 mm，單個單元在54.7°的回波最大。仿真結(jié)果與同等尺寸的金屬相比，其RCS在工作頻點(diǎn)處的結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，通過合理設(shè)計，反射波的方向可以得到一定的調(diào)節(jié)，達(dá)到理想的值。

圖5 最大反射角度為54.7°時的RCS對比

2.2 二面角設(shè)計

將得到的反射波最大方向?yàn)?5°的單元組成4×4的陣列，作為二面角反射器的反射面，結(jié)構(gòu)如圖6所示。此時該種結(jié)構(gòu)的RCS和同樣尺寸大小(70.8 mm×70.8 mm)的傳統(tǒng)金屬二面角反射器的RCS對比結(jié)果如圖7所示。可以看出，利用該結(jié)構(gòu)得到的值為0.25 dBsm，比傳統(tǒng)的二面角反射器提高了2 dBsm，相當(dāng)于反射面積提高了60%左右。利用超材料作為二面角反射器的反射面，具有很小的效果和一定的實(shí)用價值。

圖6 超材料二面角反射器

圖7 二面角RCS結(jié)果對比

2.3 三面角設(shè)計

從上述仿真結(jié)果可以看出，使用帶有微帶線的貼片陣列替換傳統(tǒng)的金屬板組成的二面角反射器，能增大回波的強(qiáng)度，提高RCS的值。接下來將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于三面角反射器，研究其是否仍具有同樣的效果，以便用該三面角反射器組成陣列，研究其實(shí)際使用價值。

基于最大反射波方向?yàn)?4.7°的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計的三面角反射器如圖8所示，反射面的邊長為100 mm，兩側(cè)的貼片陣列結(jié)構(gòu)方向的設(shè)置是為了與電場的方向一致，即極化一致。計算得到兩側(cè)的單元旋轉(zhuǎn)18.5°時，與電場的極化方向一致性最好。接下來對該模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，主要優(yōu)化的參數(shù)有微帶線的長度、貼片單元之間的距離和兩側(cè)單元的旋轉(zhuǎn)角度，通過仿真優(yōu)化得到最優(yōu)的RCS值如圖9所示。由圖9可以看出，優(yōu)化后其RCS值得到了明顯的提高，基本和金屬面三面角反射器的RCS值相等(略小0.17 dBsm)。同樣可以看出，將超材料應(yīng)用于三角面反射器同樣可以取得很好的效果，說明了設(shè)計的正確性。

圖8 超材料三面角反射器

圖9 三面角RCS值結(jié)果對比

綜上所述，利用超材料結(jié)構(gòu)可以控制反射波反射方向的特點(diǎn)，將超材料結(jié)構(gòu)替換傳統(tǒng)的金屬角反射器反射面，將進(jìn)一步提高其雷達(dá)反射截面，尤其是對于二面角反射器，效果更加明顯。

3 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)二面角反射器和三面角反射器的基礎(chǔ)上，用超材料替代傳統(tǒng)的金屬面，研究其雷達(dá)反射特性。可以看出，超材料結(jié)構(gòu)能有效地提高傳統(tǒng)角反射器的雷達(dá)反射截面，同時達(dá)到減輕角反射器重量的目的。但是超材料結(jié)構(gòu)的頻帶較窄，這必然會影響到超材料角反射器的工作帶寬，而且該結(jié)構(gòu)的角反射器反射波的反射角度具有一定的限制性，如何擴(kuò)大反射角度還需要進(jìn)一步的研究。對于一些需要跟蹤的己方小目標(biāo)或者在雷達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證過程中靶標(biāo)的模擬，可以利用該超材料角反射器。因此，超材料角反射器的研究具有一定的理論和應(yīng)用價值。

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張澤奎 男，(1989—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：天線設(shè)計、超材料理論研究及設(shè)計。

王東紅 女，(1981—)，博士，高級工程師。主要研究方向：電磁防護(hù)理論與應(yīng)用、先進(jìn)材料理論研究、超材料理論與應(yīng)用。

A Novel RCS Enhancing Device Based on Metamaterial

ZHANG Ze-kui1,2,WANG Dong-hong1,2,LEI Yi-san1,2,WANG Peng1,2, ZHAO Ya-juan1,2,ZHANG Rong1,2

(1.ShanxiKeyLaboratoryofElectromagneticProtectionMaterialandTechnology,TaiyuanShanxi030006,China; 2.The33rdResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030006,China)

For the traditional metal dihedral reflector,its structure is permanent and it has heavy weight.In this paper,a RCS enhancing device based on metamaterial is developed to solve these problems.Through simulating,the RCS based on metamaterials increases by 2 dBsm,compared with traditional metal dihedral reflector of the same size.And metamaterial trihedral corner reflectors also have a good performance.So this metamaterial dihedral reflector can be used in the modern war and communication system to detect the property of weapon,because it can enhance the RCS and decrease its weight.

metamaterial;radar cross section;microstrip;echo enhancing

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.16

張澤奎,王東紅,雷憶三,等.基于超材料的RCS增強(qiáng)器設(shè)計[J].無線電工程,2017,47(5):67-70.[ZHANG Zekui,WANG Donghong,LEI Yisan,et al.A Novel RCS Enhancing Device Based on Metamaterial[J].Radio Engineering,2017,47(5):67-70.]

2017-02-15

國家國際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2014DFR10020)；山西省青年基金資助項(xiàng)目(2014021020-1)。

O441.4

A

1003-3106(2017)05-0067-04