鞠昊宸，莫錦軍

（1.中南大學(xué)航空航天學(xué)院，湖南長沙，410083；2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林,541004）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中雷達(dá)是探測目標(biāo)最主要的技術(shù)手段之一，所以當(dāng)前的隱身技術(shù)研究將以目標(biāo)的雷達(dá)特征信號控制為重點(diǎn)：當(dāng)采用一定的方法和手段，有效地降低探測雷達(dá)的接收功率、減小雷達(dá)對目標(biāo)的最大作用距離，隱身技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，也就是說達(dá)到目標(biāo)對探測雷達(dá)隱身的目的[1]。

現(xiàn)代雷達(dá)的電磁隱身技術(shù)包括無源隱身和有源隱身技術(shù)兩大類[2]。無源隱身技術(shù)主要包括整形法、涂敷吸波材料（RAM）等方法，它發(fā)展迅速，效果顯著。但是隨著低頻雷達(dá)（如米波雷達(dá)）在電子信息戰(zhàn)中越來越廣泛的應(yīng)用，無源隱身技術(shù)開始出現(xiàn)難以解決的問題：比如吸波材料無法完全吸收掉低頻雷達(dá)信號，吸波材料和吸波涂料價(jià)格過于昂貴等等。

與此同時(shí)，隨著雷達(dá)相控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有源隱身技術(shù)逐步映入人們的視野當(dāng)中。有源隱身在解決低頻雷達(dá)探測問題中有著巨大的優(yōu)勢，它幾乎能適應(yīng)任何形狀的被保護(hù)目標(biāo)[3]，例如艦船、航空器、航天器等，其使用不涉及平臺外形和結(jié)構(gòu)的變動，特別適合對現(xiàn)有平臺進(jìn)行加裝和運(yùn)載，同時(shí)有源隱身技術(shù)被期待著具有功率較小，性比價(jià)高等優(yōu)點(diǎn)的良好應(yīng)用前景。

本文針對P波段（420Hz—450Hz）的彈頭目標(biāo)的隱身需求，以及微帶天線本身低剖面易小型化易共形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種共形于錐形彈頭的微帶共形天線模型，通過天線發(fā)射波與彈頭散射波的相干疊加進(jìn)行主動對消仿真，在此基礎(chǔ)上開展降低彈頭側(cè)面RCS達(dá)到隱身效果的研究。

1 有源對消的基本原理

雷達(dá)對目標(biāo)的探測是建立在目標(biāo)的電磁散射特性的基礎(chǔ)上的。雷達(dá)反射截面（RCS）就是對目標(biāo)在一定方向上反射的功率與入射的功率密度進(jìn)行歸一化處理后得出的度量，這就決定了雷達(dá)反射截面的大小與雷達(dá)到目標(biāo)的距離無關(guān)。雷達(dá)反射截面的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[4]

從理論來看，目標(biāo)在不同方向上的RCS數(shù)值可以通過測量精準(zhǔn)的得到，而雷達(dá)入射場可以由平臺上的傳感器測得，這樣可以將公式（1）適當(dāng)推導(dǎo)，得到目標(biāo)在探測雷達(dá)方向上的散射場，為：

由此可知，在雷達(dá)方向上與散射場相同振幅頻率相反相位的場總是可以產(chǎn)生出來的。有源對消隱身技術(shù)的理論基礎(chǔ)得以成立[5]。

對消式有源隱身的原理為：需要保護(hù)的目標(biāo)上裝載的有源設(shè)備也就是對消裝置，在接到探測雷達(dá)的入射波信號時(shí)，實(shí)時(shí)的主動生成并發(fā)射一個(gè)對消波，這個(gè)對消波和目標(biāo)自身實(shí)際的散射回波在空間中相互抵消，使得探測雷達(dá)的接收天線接收不到回波信號，從而實(shí)現(xiàn)被保護(hù)目標(biāo)對探測雷達(dá)的隱身目的。其中，主動發(fā)射的對消波，要求和目標(biāo)在該入射方向上的散射回波有相同的頻率、幅度同時(shí)還有相反的相位[6]。原理圖如圖1所示。

圖1 有源隱身原理框圖

2 有源對消實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 彈頭目標(biāo)模型建立

設(shè)計(jì)合適的天線安裝在錐形彈頭的合適位置，通過天線發(fā)射波與錐形彈頭散射波的相干迭加，獲得錐形彈頭側(cè)面RCS下降10dB以上的隱身效果。取雷達(dá)中心頻率435MHz，錐形彈頭長約1.7米，底半徑0.25米。圖2為錐形彈頭的三維模型。采用矩量法計(jì)算其在435MHz平面波照射下的單站RCS，結(jié)果如圖3所示。將入射角垂直于錐面的方向設(shè)為0度角，直觀起見，此角度形成了一個(gè)強(qiáng)散射峰。

圖2 錐形彈頭模型示意圖

圖3 平面波激勵(lì)的彈頭單站RCS

2.2 天線—目標(biāo)結(jié)合體模型建立

為實(shí)現(xiàn)錐體側(cè)面散射的對消，設(shè)計(jì)微帶天線與彈頭相結(jié)合的組合體，如圖4所示。因?yàn)槟繕?biāo)是旋轉(zhuǎn)對稱體，且考慮微帶天線的波束寬度在90-120度之間，可用4個(gè)天線實(shí)現(xiàn)四周空域的全履蓋。因?yàn)镻波段的頻率較低，天線與目標(biāo)結(jié)合后會因耦合而產(chǎn)生方向圖畸變，增大了彈頭方向和側(cè)向的強(qiáng)散射。方向圖畸變?nèi)鐖D5所示。

圖4 微帶天線—彈頭組合體

圖5 矩形微帶天線組合體方向圖

為此設(shè)計(jì)了一種與錐形彈頭共形的微帶天線，如圖6所示。在不明顯影響彈頭側(cè)向散射的情況下，進(jìn)行有源對消隱身實(shí)驗(yàn)。圖7是共形微帶天線與彈頭結(jié)合后的方向圖，圖8為其增益。為方便分析和驗(yàn)證有源對消原理及效果，先將1個(gè)微帶共形天線與目標(biāo)結(jié)合，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 微帶共形天線方向圖

圖7 微帶共形天線與彈頭結(jié)合體方向圖

圖8 微帶共形天線增益

3 有源對消效果的仿真分析

本文設(shè)置了平面波源和微帶共形天線原有的端口源一起構(gòu)成雙激勵(lì)。先后計(jì)算在單位幅度和0相位激勵(lì)情況下，平面波源和端口源單獨(dú)生效的輻射場。根據(jù)輻射場的計(jì)算結(jié)果，調(diào)整微帶天線端口源的幅度，以及相位，同時(shí)生效平面波源和端口源的激勵(lì)，通過計(jì)算，得到目標(biāo)對消的后向散射方向的RCS，驗(yàn)證對消效果。

3.1 垂直入射

圖9為平面波源從0度方向垂直入射天線目標(biāo)結(jié)合體所得到的對消后目標(biāo)3D雙站RCS，可以看出在入射波方向達(dá)到零陷，對消效果顯著。圖10為0度垂直入射的有源對消前后的目標(biāo)RCS對比圖，可以非常直觀的看到在入射方向上，基于有源對消原理的隱身效果收效甚好。

圖9 垂直入射對消后的目標(biāo)雙站RCS

圖10 0°對消前后的RCS對比

3.2 斜入射仿真分析

圖11給出不同的平面波入射方向所對應(yīng)的后向散射RCS，圖形為方位角φ為0°時(shí)，入射角θ分別對應(yīng)為：2°，4°，6°，8°，10°和12°。黑色實(shí)線代表有源對消前，組合體目標(biāo)的RCS，紅色虛線代表有源對消之后的目標(biāo)體的RCS，通過計(jì)算得到。相應(yīng)入射角度RCS分別降低83dB，79dB，95dB，87dB，85dB和75dB?？梢钥闯鼋?jīng)過微帶天線的在特定方向的主動對消，對消效果顯著，與此同時(shí)，也沒有明顯增大共形天線和彈頭結(jié)合體在其他角度的RCS。

圖11 不同入射角下的目標(biāo)RCS

4 結(jié)論

本文基于彈頭目標(biāo)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)了可以共形于彈頭表面的微帶天線，并針對錐形彈頭與天線的組合體模型進(jìn)行了有源對消的仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在給定方向上微帶天線的主動對消效果顯著，使得在入射方向上，目標(biāo)側(cè)向RCS平均下降85.8dB，大大超過實(shí)驗(yàn)預(yù)期。同時(shí)根據(jù)結(jié)果可知，在其他散射方向上目標(biāo)的RCS沒有顯著增大，為彈頭安裝天線實(shí)行有源對消的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目增加了理論基礎(chǔ)。