X波段標(biāo)簽式雷達(dá)反射器的設(shè)計(jì)

引言

雷達(dá)反射器被廣泛應(yīng)用于通信和雷達(dá)系統(tǒng)?，F(xiàn)有的無(wú)源雷達(dá)反射器主要有角反射器和龍伯透鏡。它們的共同特點(diǎn)是體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于做成標(biāo)簽形式。由此出發(fā)，本文提出了一種用于雷達(dá)目標(biāo)監(jiān)測(cè)的無(wú)源標(biāo)簽式雷達(dá)反射器的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)上采用在金屬貼片上開L型縫隙的方式來增強(qiáng)其交叉極化項(xiàng)雷達(dá)散射截面。該標(biāo)簽式雷達(dá)反射器能夠?qū)μ囟l率范圍內(nèi)的雷達(dá)波束形成較強(qiáng)的反射。另外，由于在設(shè)計(jì)中綜合了交叉極化的理念，所以極大程度地提高了反射回波與復(fù)雜背景散射場(chǎng)的區(qū)分度，增強(qiáng)了雷達(dá)對(duì)被安裝目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別的能力。

該標(biāo)簽式雷達(dá)反射器工作于7.5GHz，研究了它的交叉極化散射特性和陣列排布形式，并將最終形式的L縫隙貼片陣列置于全尺寸汽車網(wǎng)格模型的前窗之上進(jìn)行建模仿真，比較了安裝前后其交叉極化項(xiàng)雷達(dá)散射截面的變化，從而驗(yàn)證了該標(biāo)簽式雷達(dá)反射器的有效性和實(shí)用性。

1交叉極化項(xiàng)雷達(dá)散射截面

雷達(dá)散射截面(RCS)被用來定量表征目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)入射波的散射強(qiáng)度，其大小與目標(biāo)的形狀、材料、表面結(jié)構(gòu)、入射波頻率和收發(fā)天線的極化匹配度等參數(shù)緊密有關(guān)。共極化(Co-polarized)響應(yīng)指發(fā)射和接收天線的極化角度相同，而交叉極化響應(yīng)(Cross-polarized)指發(fā)射和接收天線在極化角度上正交，交叉極化響應(yīng)所對(duì)應(yīng)的雷達(dá)散射截面，稱之為交叉極化項(xiàng)雷達(dá)散射面(Cross-polarizedRCS).,在微波頻率下,大多數(shù)被監(jiān)測(cè)目標(biāo)都有著較強(qiáng)的共極化響應(yīng)，但交叉極化響應(yīng)卻很低。物體的棱邊和夾角在受到電磁波照射時(shí)，雖可以激發(fā)出交叉極化的回波，但卻并不足以使其與復(fù)雜的背景散射場(chǎng)區(qū)別開來。所以設(shè)法增強(qiáng)目標(biāo)的交叉極化響應(yīng)，有助于提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別能力。

2L型縫隙貼片的散射特性

經(jīng)典雷達(dá)理論提及，當(dāng)導(dǎo)線或者導(dǎo)帶的尺寸接近入射波的半波長(zhǎng)時(shí)將發(fā)生諧振。此時(shí)，導(dǎo)線或?qū)系母袘?yīng)電流達(dá)到最大值，同時(shí)其表面電流的散射也將達(dá)到最大值。文獻(xiàn)提出了一種L型金屬導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)及其陣列。表面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的單臂長(zhǎng)度L接近于1/4入射波波長(zhǎng)，寬度較窄,當(dāng)分支之一被特定極化的雷達(dá)波束照射時(shí)，表面將產(chǎn)生感應(yīng)電流，因?qū)w上電流的連續(xù)性，另一分支也將激勵(lì)起電流并產(chǎn)生交叉極化的散射場(chǎng)。文獻(xiàn)在保持振子L型金屬導(dǎo)帶基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，在分支中嵌入貼片電感，成功縮短了單臂尺寸。

為了更大程度增強(qiáng)目標(biāo)的交叉極化響應(yīng)，本文提出了一種L型縫隙貼片的設(shè)計(jì)，即在正方形金屬貼片上開L型縫隙，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2L型縫隙貼片基本結(jié)構(gòu)圖

圖2中，正方形金屬貼片的邊長(zhǎng)Li接近于半波長(zhǎng)，縫隙長(zhǎng)度L2接近1/4個(gè)波長(zhǎng)，寬度較窄，所以貼片在受到特定頻率的雷達(dá)波照射時(shí)，將發(fā)生較強(qiáng)的諧振，且由L型縫隙所激發(fā)的交叉極化響應(yīng)顯著區(qū)別于背景散射場(chǎng)。

3仿真和結(jié)果分析

3.1貼片結(jié)構(gòu)和陣列排布的優(yōu)化

HFSS是基于有限元法(FEM)的全波電磁仿真軟件，能夠?qū)θ我馊S結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。文獻(xiàn)［6］指出，在對(duì)電小尺寸的目標(biāo)進(jìn)行電磁散射仿真時(shí)，HFSS有著較好的精確度。圖3給出了L型金屬導(dǎo)帶和L型縫隙貼片的交叉極化項(xiàng)RCS在HFSS13.0上的仿真結(jié)果對(duì)比。

從圖3中可以看出，相對(duì)于L型金屬導(dǎo)帶，L型縫隙貼片的交叉極化項(xiàng)RCS有著明顯提升，當(dāng)頻率為7.5GHz時(shí),交叉極化項(xiàng)RCS提升約4.9dB。

為了更進(jìn)一步增加L型縫隙貼片的交叉極化響應(yīng)，同時(shí)不影響其散射場(chǎng)的極化特性，我們提出了一種交叉式三行三列的陣列結(jié)構(gòu)，貼片參數(shù)和貼片之間的距離經(jīng)過HFSS13.0軟件進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)為了在固定的面積內(nèi)集成更多的貼片，對(duì)貼片進(jìn)行了切角處理。陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 中，L1=22.6 mm，L2=30.5 mm，L3=91.0 mm。整個(gè)陣列表面積接近于汽車免檢標(biāo)簽大小。圖 5 所示是標(biāo)簽式雷達(dá)反射器的安裝示意圖。

圖4L型縫隙貼片陣列結(jié)構(gòu)

圖5標(biāo)簽式雷達(dá)反射器的極化方位圖

圖5中，K是入射電磁波矢量方向，〃是極化角度。入射波的極化角度由標(biāo)簽的安裝位置確定，必須保證縫隙的一個(gè)分支平行于人射波的極化方向,以得到較大的感應(yīng)電流。

圖6所示是L型縫隙貼片陣列與同尺寸金屬平板的交叉極化項(xiàng)RCS仿真結(jié)果對(duì)比。

由圖6可見，與同尺寸金屬平板相比，L型縫隙貼片陣列的交叉極化項(xiàng)RCS更加突出。當(dāng)Theta等于0。時(shí)，交叉極化項(xiàng)RCS提升最大，可以達(dá)到64.3dB。

圖6L型縫隙貼片陣列與同尺寸金屬平板的交叉極化項(xiàng)RCS的仿真結(jié)果

3.2全尺寸汽車模型仿真

三維電磁仿真平臺(tái)(FEKO5.5)結(jié)合了多種精確計(jì)算方法,如矩量法(MOM)、快速多級(jí)子算法(MLFMM)、高頻近似方法物理光學(xué)法(PO)、一致性繞射理論(UTD)等，可以方便地處理電磁輻射、散射及電磁兼容問題。文獻(xiàn)［7］指出，在對(duì)電大尺寸的物體進(jìn)行電磁仿真計(jì)算時(shí)，綜合考慮計(jì)算精度和速度，F(xiàn)EKO是較理想的選擇。圖7所示是全尺寸汽車網(wǎng)格 模型圖。

圖7全尺寸汽車網(wǎng)格模型

其中汽車尺寸為4 223 mmX1 873 mmX1 865 mm,標(biāo)簽 安裝于汽車前窗的右手邊上角落。利用FEKO 5.5進(jìn)行仿真計(jì) 算時(shí)，為了在節(jié)省時(shí)間的同時(shí)，盡可能地提高計(jì)算精度，本 文綜合使用物理光學(xué)法(PO)和矩量法(MOM)。即：對(duì)于 標(biāo)簽安裝位置(汽車前窗)使用了較密集的剖分方式，采用 MOM計(jì)算；而對(duì)于汽車剩余部分，剖分尺寸相對(duì)較大，可采用PO計(jì)算。其仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖中得出，安裝L型縫隙貼片陣列之后，機(jī)動(dòng)車的交 叉極化響應(yīng)得到了極大程度的提高，當(dāng)Theta等于0。時(shí)，交 叉極化項(xiàng)RCS提升達(dá)54.6 dB,從而驗(yàn)證了該類型標(biāo)簽式雷 達(dá)反射器的有效性和實(shí)用性。

4結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種工作于7.5 GHz的標(biāo)簽式雷達(dá)反射器的 設(shè)計(jì)。通過在正方形金屬貼片上開L型縫隙的方式，大幅提 升貼片的交叉極化響應(yīng)，增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)被安裝目標(biāo)的探測(cè)能力。 同時(shí)，該類標(biāo)簽式雷達(dá)反射器不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉 等特點(diǎn)，而且其陣列尺寸接近于汽車免檢標(biāo)簽大小，適合在 交通工具上使用。

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