雷達(dá)角反射器設(shè)計(jì)和應(yīng)用

0 引言

雷達(dá)產(chǎn)品的開發(fā)中，測試和驗(yàn)證過程需要相應(yīng)的目標(biāo)作為工具，在開發(fā)階段要開展大量的測試和實(shí)驗(yàn)，其中目標(biāo)的雷達(dá)截面積(Radar Cross Section, RCS) 值是衡量雷達(dá)探測性能的重要指標(biāo)，RCS 值與目標(biāo)的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)，也與入射電磁波的頻率、極化方式和入射角等有關(guān)，實(shí)際目標(biāo)的RCS 值，并不是一個(gè)確切的值，不同的姿態(tài)有不同的值，有些目標(biāo)正面?zhèn)让鍾CS值可能相差甚至幾百上千倍^[1]，表1 給出的是幾種常見目標(biāo)的RCS典型值。為了提取目標(biāo)，目標(biāo)的有效反射值一般定義為以某種極化的某個(gè)距離的平均RCS值。真實(shí)的目標(biāo)有復(fù)雜的反射特性，關(guān)于在不同極化和頻率下的有效反射值的測量，形成了一個(gè)既定的研究領(lǐng)域。

由于真實(shí)目標(biāo)的RCS值的不確定性，在雷達(dá)的研究和探測性能的驗(yàn)證測量中，只能給定不同目標(biāo)的典型值來作為衡量依據(jù)。

同時(shí)形成雜波的背景是靜止的，雜波的多普勒值約為0，目標(biāo)是運(yùn)動的，其多普勒值相對于背景雜波突出，據(jù)此，可從雜波中提取出目標(biāo)。

產(chǎn)品研發(fā)過程中以飛機(jī)艦船作為目標(biāo)，成本高，也受空間飛行等多方面的限制，采用標(biāo)準(zhǔn)的反射器作為實(shí)驗(yàn)和測試的目標(biāo)工具，可為開發(fā)活動提供方便、廉價(jià)的技術(shù)途徑，同時(shí)角反射器的指標(biāo)特性是可控、可計(jì)算的，基于此，可對雷達(dá)性能指標(biāo)量化測試、分析提供支撐。本文針對雷達(dá)反射器的應(yīng)用需求，描述了雷達(dá)反射器的原理，指標(biāo)相關(guān)參數(shù)，以及設(shè)計(jì)計(jì)算方法和工程常用的基本構(gòu)型。

1 功能介紹

雷達(dá)反射器是一種被動裝置，將入射的電磁能量直接反射回能量源。雷達(dá)角反射器基本原理是利用偶鏡原理，由兩個(gè)或3 個(gè)交叉安裝的導(dǎo)電平面相互垂直組裝在一起，形成偶鏡，入射線在其平面多次反射后，形成與入射線相平行的回波。相互垂直的面，具有極高的反射率，因此即使是較小尺寸的反射器也會產(chǎn)生足夠強(qiáng)的回波^[3]。

雷達(dá)角反射器類型按面板形狀分有方形、三角形、扇形；按結(jié)構(gòu)形式分有固定式、可拆卸式、混合式；按面板個(gè)數(shù)分有兩面反射器、三面反射器實(shí)際應(yīng)用中，反射器的安裝總是有機(jī)械誤差的，不可能保證反射器與入射線的絕對垂直，三面的反射器可保證一定角度范圍入射信號多次反射，在空間形成與入射平行的反射信號，所以在實(shí)際使用中，一般采用三面角反射器。

三面角反射器是一種典型的雷達(dá)反射器，經(jīng)常用于校準(zhǔn)或測量雷達(dá)系統(tǒng)的性能。在使用中它有以下一些有利的特性：

1）可產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其物理尺寸的RCS 值；

2）大角度范圍的信號反射；

3）角度容差大，場景容易布置；

4）RCS 值確定，容易計(jì)算。

同時(shí)也有以下不利的特性：

1）理論計(jì)算RCS 值是基于自由空間中的，與周圍的環(huán)境反射體( 如地面) 無關(guān)；

2）射線入射角與反射面平行時(shí)，RCS下降相當(dāng)顯著；

3）如果一個(gè)反射面向前傾斜，使其最大RCS 方向相對于地面處于一個(gè)淺掠角，那么地面波瓣就會出現(xiàn)問題，降低RCS 計(jì)算的準(zhǔn)確性；

4）如果反射器被放置的底板與地面平行，那么反射器的RCS 值嚴(yán)重減少。

2 相關(guān)要素分析

2.1 反射指標(biāo)定義

雷達(dá)目標(biāo)反射信號的指標(biāo)用雷達(dá)截面積(Radar Cross Section, RCS) 度量，目標(biāo)的RCS 取決于目標(biāo)結(jié)構(gòu)（形狀和材料）、雷達(dá)工作頻率、雷達(dá)極化方式和雷達(dá)觀測角^[3]。

RCS定義是基于各向同性反射體的投影面積來表示。即RCS 值為1 m2 的反射是一個(gè)直徑約為1.13 m 的球形導(dǎo)體，在垂直于信號入射方向投影面積為1 m² 的等效反射。

從RCS定義來看，由于只有中間的一個(gè)小區(qū)域，能準(zhǔn)確地反射雷達(dá)方向的入射能量，形成回波，其他區(qū)域的入射信號被反射到空間其他方向，目標(biāo)的投影只有很小的區(qū)域是有效的，如圖1 所示。因此，能夠定向反射入射信號的反射器只需要很小的幾何尺寸就可以有幾平方米的RCS 值^[4]。

圖1 反射示意圖

根據(jù)雷達(dá)角反射器定義和原理，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮以下3個(gè)方面因素：

1）目標(biāo)可視面積；

2）雷達(dá)信號入射角；

3）可能形成諧振的頻率和尺寸。

2.2 可視面積分析

首先以1 個(gè)相互垂直的二面反射器入手做簡化分析。如果角反射器的邊長實(shí)質(zhì)上大于波長，則可根據(jù)幾何光學(xué)定律計(jì)算投影面積。

兩個(gè)面的情況時(shí)，需要入射線與反射面的棱EF 相垂直，才能形成回波，可視面積等于面AB 在射線垂直方向的投影面積，如圖2所示。當(dāng)AB 面與入射線夾角為45°時(shí)，投影面積最大，此時(shí)計(jì)算公式為：

式中：A_PROJ：投影面積；A_WR：反射面實(shí)體面積。

根據(jù)自由空間損失可計(jì)算得出RCS值σ ，計(jì)算公式為：

式中：A：鏡面反射面積；λ ：雷達(dá)波長

綜合式（1）（2），可得到二面反射器的RCS最大值σ ，計(jì)算公式見式（3）：

2.3 入射角分析

當(dāng)反射面與入射角度不等于45°時(shí)，部分射線只有1次反射，不能形成有效回波，部分射線有2次反射，形成有效回波，所以有效反射面是小于投影面積的，有效反射面積與投影面積關(guān)系如圖3所示。射線a 經(jīng)2次反射形成有效回波，射線b 只有1 次反射，不能形成有效回波，AB為投影面積，AC為有效反射面積。

根據(jù)幾何關(guān)系，可計(jì)算反射面與入射線夾角0°<θ<90°時(shí)，有效反射面積A_eff的值為：

RCS值σ 為：

2.4 諧振影響

金屬表面對電磁波的作用就像鏡子一樣，這只是一種簡化概念，實(shí)際上的反射過程是金屬表面吸收能量，自我振蕩并再次輻射能量，不同區(qū)域的射線反射有不同的路程差，不同的路程差造成不同的相位差，因此當(dāng)入射角不同時(shí)，回波會與入射波相疊加造成不同的影響。

與箔條類似，反射表面可以與波長發(fā)生共振，反射面必須至少是偏振方向波長的一半，但是必須兩個(gè)反射面，即角反射器的最小諧振長度是一個(gè)完整波長。射線通過完整波長角反射器中的共振，最大可以測量到RCS的4倍。反射器受到諧波的影響，有諧振的增益，也有衰減的情況，在一半波長（1.5 λ ，2.5 λ …）的奇數(shù)倍下，RCS 值減少，當(dāng)反射器尺寸大于波長10倍以上時(shí)，影響可以忽略^[5]。

2.5 機(jī)械安裝精度影響

上述分析是基于每個(gè)相鄰面板夾角嚴(yán)格為90° 的情況下的結(jié)果，實(shí)際的加工制造必然有公差，非常細(xì)小的公差也會影響反射器的實(shí)際效果。使用損壞、裝配誤差、加工精度都可能使夾角不是嚴(yán)格的90° ，實(shí)際使用中，也不可能要求其絕對符合理論值，但需要掌握誤差與反射效果之間的變化關(guān)系，以保證反射器的實(shí)際反射效果滿足應(yīng)用的需求即可。

在邊長a 與波長λ 比在35、25、15 時(shí)，不同夾角誤差時(shí)所的反射增益值^[6]見表2 與圖4 所示。

3 三面角反射器應(yīng)用

實(shí)際應(yīng)用中，反射器的安裝總是有機(jī)械誤差的，不可能保證反射器與入射線的絕對垂直，三面的反射器可保證一定角度范圍入射信號3次反射，在空間形成與入射平行的反射信號，所以在實(shí)際使用中，一般采用三面角反射器。

3.1 方形三面角反射器

角反射器反射面由3 塊方形面板組成，每個(gè)面板以相對90° 角安裝在一起，如圖5 所示，因此，幾何投影面積由3 個(gè)分區(qū)組成，每個(gè)分區(qū)由式（1）計(jì)算得出，射線經(jīng)3 次反射，可得出適用于方形三面角反射器的RCS值計(jì)算公式，見式（6）。

圖5 方形三面角反射器

3.2 三角形三面角反射器

具有3個(gè)正方形面的角反射器在機(jī)械上相對不穩(wěn)定，因此，大多數(shù)情況下，部分表面被簡化為三角形面，如圖6所示，有效反射面減小，但結(jié)構(gòu)具有較大角度范圍的反射波束寬度，該三角形角反射器的有效雷達(dá)橫截面計(jì)算公式為^[5]：

圖6 三角形三面角反射器

式中：a：三角反射面棱長；λ ：雷達(dá)波長

類似天線-3 dB 波束寬度的概念，這種角反射器-3 dB 反射增益的角度范圍為40° ，因此，8 個(gè)這樣的角反射器所構(gòu)成立方體，如圖7 所示，可實(shí)現(xiàn)全方位的有效反射^[7]。

該角反射器由12 個(gè)等腰三角形拼接而成，在實(shí)際施工中，使用3 塊尺寸相等的方形板，開槽，鑲嵌焊接在一起。這種結(jié)構(gòu)的角反射器的RCS 值可實(shí)現(xiàn)大于反射器機(jī)械尺寸500 倍的值^[8]，采用這種反射器，可更方便地在實(shí)驗(yàn)使用和定量測試。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）