X波段標簽式雷達反射器的設計

摘 要：提出了一種用于雷達目標監測的新型標簽式雷達反射器的設計方法，該方法在結構上采用在金屬貼片上開L型縫隙的方式來增強其交叉極化響應。文章介紹了交叉極化項雷達散射截面的概念，給出了該類型標簽式雷達反射器在全波電磁仿真軟件（HFSS 13.0）上的散射特性和仿真結果。最后利用三維電磁仿真平臺（FEKO 5.5）將最終形式的標簽式雷達反射器陣列置于全尺寸的汽車模型前窗之上進行建模仿真，從而驗證了其有效性和實用性。

關鍵詞：雷達散射截面；交叉極化；雷達反射器

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0034-03

0 引 言

雷達反射器被廣泛應用于通信和雷達系統。現有的無源雷達反射器主要有角反射器和龍伯透鏡。它們的共同特點是體積大、結構復雜，不便于做成標簽形式。由此出發，本文提出了一種用于雷達目標監測的無源標簽式雷達反射器的設計，其結構上采用在金屬貼片上開L型縫隙的方式來增強其交叉極化項雷達散射截面。該標簽式雷達反射器能夠對特定頻率范圍內的雷達波束形成較強的反射。另外，由于在設計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雜背景散射場的區分度，增強了雷達對被安裝目標探測和識別的能力。

該標簽式雷達反射器工作于7.5 GHz，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格模型的前窗之上進行建模仿真，比較了安裝前后其交叉極化項雷達散射截面的變化，從而驗證了該標簽式雷達反射器的有效性和實用性。

1 交叉極化項雷達散射截面

雷達散射截面（RCS）被用來定量表征目標相對于雷達入射波的散射強度，其大小與目標的形狀、材料、表面結構、入射波頻率和收發天線的極化匹配度等參數緊密有關。共極化（Co-polarized）響應指發射和接收天線的極化角度相同，而交叉極化響應（Cross-polarized）指發射和接收天線在極化角度上正交，交叉極化響應所對應的雷達散射截面，稱之為交叉極化項雷達散射面（Cross-polarized RCS）。在微波頻率下，大多數被監測目標都有著較強的共極化響應，但交叉極化響應卻很低。物體的棱邊和夾角在受到電磁波照射時，雖可以激發出交叉極化的回波，但卻并不足以使其與復雜的背景散射場區別開來。所以設法增強目標的交叉極化響應，有助于提高雷達對目標的探測和識別能力。

2 L型縫隙貼片的散射特性

經典雷達理論提及，當導線或者導帶的尺寸接近入射波的半波長時將發生諧振。此時，導線或導帶上的感應電流達到最大值，同時其表面電流的散射也將達到最大值。文獻[1]提出了一種L型金屬導帶結構及其陣列。表面結構如圖1所示。

圖1中的單臂長度L接近于1/4入射波波長，寬度較窄，當分支之一被特定極化的雷達波束照射時，表面將產生感應電流，因導體上電流的連續性，另一分支也將激勵起電流并產生交叉極化的散射場。文獻[2]在保持振子L型金屬導帶基本結構不變的情況下，在分支中嵌入貼片電感，成功縮短了單臂尺寸。

為了更大程度增強目標的交叉極化響應，本文提出了一種L型縫隙貼片的設計，即在正方形金屬貼片上開L型縫隙，其基本結構如圖2所示。

圖2中，正方形金屬貼片的邊長L1接近于半波長，縫隙長度L2接近1/4個波長，寬度較窄，所以貼片在受到特定頻率的雷達波照射時，將發生較強的諧振，且由L型縫隙所激發的交叉極化響應顯著區別于背景散射場。

3 仿真和結果分析

3.1 貼片結構和陣列排布的優化

HFSS是基于有限元法（FEM）的全波電磁仿真軟件，能夠對任意三維結構的電磁場進行分析計算。文獻[6]指出，在對電小尺寸的目標進行電磁散射仿真時，HFSS有著較好的精確度。圖3給出了L型金屬導帶和L型縫隙貼片的交叉極化項RCS在HFSS 13.0上的仿真結果對比。

從圖3中可以看出，相對于L型金屬導帶，L型縫隙貼片的交叉極化項RCS有著明顯提升，當頻率為7.5 GHz時，交叉極化項RCS提升約4.9 dB。

為了更進一步增加L型縫隙貼片的交叉極化響應，同時不影響其散射場的極化特性，我們提出了一種交叉式三行三列的陣列結構，貼片參數和貼片之間的距離經過HFSS 13.0軟件進行優化。同時為了在固定的面積內集成更多的貼片，對貼片進行了切角處理。陣列結構如圖4所示。

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

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RCS仿真結果對比。

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RCS更加突出。當Theta等于0°時，交叉極化項RCS提升最大，可以達到64.3 dB。

交叉極化項RCS的仿真結果

3.2 全尺寸汽車模型仿真

三維電磁仿真平臺（FEKO 5.5）結合了多種精確計算方法，如矩量法（MOM）、快速多級子算法（MLFMM）、高頻近似方法物理光學法（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[7]指出，在對電大尺寸的物體進行電磁仿真計算時，綜合考慮計算精度和速度，FEKO是較理想的選擇。圖7所示是全尺寸汽車網格模型圖。

其中汽車尺寸為4 223 mm×1 873 mm×1 865 mm，標簽安裝于汽車前窗的右手邊上角落。利用FEKO 5.5進行仿真計算時，為了在節省時間的同時，盡可能地提高計算精度，本文綜合使用物理光學法（PO）和矩量法（MOM）。即：對于標簽安裝位置（汽車前窗）使用了較密集的剖分方式，采用MOM計算；而對于汽車剩余部分，剖分尺寸相對較大，可采用PO計算。其仿真結果如圖8所示。

從圖中得出，安裝L型縫隙貼片陣列之后，機動車的交叉極化響應得到了極大程度的提高，當Theta等于0°時，交叉極化項RCS提升達54.6 dB，從而驗證了該類型標簽式雷達反射器的有效性和實用性。

4 結 語

本文研究了一種工作于7.5 GHz的標簽式雷達反射器的設計。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，增強雷達對被安裝目標的探測能力。同時，該類標簽式雷達反射器不僅具有結構簡單，成本低廉等特點，而且其陣列尺寸接近于汽車免檢標簽大小，適合在交通工具上使用。

參 考 文 獻

[1] 官伯然，王東. 無源雙極化標簽式雷達目標及其應用[J] .電波科學學報， 2010（2）：307-312.

[2] GUAN Bo-ran， YANG Fan. An X-band compact radar reflector tag [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Electronics， Communications and Control. Ningbo， China： ICECC， 2011： 1875-1877.

[3] 徐樸. 單站雷達系統的極化匹配系數[J].電波科學學報，1999（3）：337-340.

[4] 王被德. 電磁波的極化及其應用[J].電波科學學報，1999（3）：347-356.

[5] LUDWIG AC. The definition of cross polarization [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1973， 21（1）： 116-119.

[6] 王俊鳴. 雷達目標電磁散射特性的仿真研究[J].航天控制，2007（5）：74-78.

[7] 陳德喜. FEKO軟件的RCS仿真研究[J].艦船電子工程，2008（9）：125-128.

[8] 張宏波，龔書喜. 分形開槽減縮微帶天線RCS[J].微波學報，2006（6）：34-36.