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(kāi)發(fā)中，測(cè)試和驗(yàn)證過(guò)程需要相應(yīng)的目標(biāo)作為工具，在開(kāi)發(fā)階段要開(kāi)展大量的測(cè)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(cè)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(jiàn)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(cè)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(cè)性能的驗(yàn)證測(cè)量中，只能給定不同目標(biāo)的典型值來(lái)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(dòng)的，其多普勒值相對(duì)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(guò)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(cè)試的目標(biāo)工具，可為開(kāi)發(fā)活動(dòng)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(duì)雷達(dá)性能指標(biāo)量化測(cè)試、分析提供支撐。本文針對(duì)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(dòng)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(huì)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(duì)垂直，三面的反射器可保證一定角度范圍入射信號(hào)多次反射，在空間形成與入射平行的反射信號(hào)，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(cè)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(hào)反射；

3）角度容差大，場(chǎng)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(wú)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(duì)于地面處于一個(gè)淺掠角，那么地面波瓣就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)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(hào)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(cè)角^[3]。

RCS定義是基于各向同性反射體的投影面積來(lái)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(hào)入射方向投影面積為1 m² 的等效反射。

從RCS定義來(lái)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(hào)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(hào)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(hào)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(jiǎn)化分析。如果角反射器的邊長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上大于波長(zhǎng)，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(zhǎng)

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(jiàn)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(duì)電磁波的作用就像鏡子一樣，這只是一種簡(jiǎn)化概念，實(shí)際上的反射過(guò)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(huì)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(zhǎng)發(fā)生共振，反射面必須至少是偏振方向波長(zhǎng)的一半，但是必須兩個(gè)反射面，即角反射器的最小諧振長(zhǎng)度是一個(gè)完整波長(zhǎng)。射線通過(guò)完整波長(zhǎng)角反射器中的共振，最大可以測(cè)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(zhǎng)（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(zhǎng)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(huì)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(duì)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(zhǎng)a 與波長(zhǎng)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(jiàn)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(duì)垂直，三面的反射器可保證一定角度范圍入射信號(hào)3次反射，在空間形成與入射平行的反射信號(hào)，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(duì)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(jiàn)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(duì)不穩(wěn)定，因此，大多數(shù)情況下，部分表面被簡(jiǎn)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(zhǎng)；λ ：雷達(dá)波長(zhǎng)

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(kāi)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(cè)試。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）