無人靶機(jī)低頻段RCS有源模擬器設(shè)計(jì)*

張?jiān)?，沈小玲，馮孝斌，蔡敏，劉海威，張達(dá)凱

(電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854)

0 引言

靶機(jī)作為檢驗(yàn)武器系統(tǒng)性能的關(guān)鍵空中靶標(biāo)，被形象地稱為“空中磨刀石”。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，各種空中目標(biāo)的性能將不斷提高，各種防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)也日趨復(fù)雜和先進(jìn)。因此，武器系統(tǒng)對(duì)無人靶機(jī)性能的要求也必然越來越高，急需寬頻帶多功能的無人靶機(jī)[1-3]。無人靶機(jī)在逼真模擬高頻段典型飛機(jī)目標(biāo)低RCS特性條件下，受外形尺寸等因素限制，很難單靠自身反射同時(shí)兼顧對(duì)典型飛機(jī)等目標(biāo)低頻段RCS特性的逼真模擬。為此，需針對(duì)無人靶機(jī)，采取RCS模擬措施，提高其低頻段RCS量級(jí)，同時(shí)不影響高頻段RCS特性，以期同時(shí)獲得對(duì)飛機(jī)等目標(biāo)低頻段和高頻段RCS特性的逼真模擬。本文結(jié)合實(shí)際情況，給出一種無人靶機(jī)低頻段RCS有源模擬設(shè)計(jì)方案，從有源模擬原理、電氣結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了無人靶機(jī)RCS有源模擬設(shè)備，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有源模擬技術(shù)分析

真實(shí)目標(biāo)反射雷達(dá)電磁波的過程為，雷達(dá)發(fā)射電磁波照射到目標(biāo)，與目標(biāo)相互作用后再反射回雷達(dá)處，并被其接收天線所接收。這一過程可用雷達(dá)方程表述如下:

(1)

式中:Pt為雷達(dá)發(fā)射功率;Gt和Gr分別為雷達(dá)發(fā)射和接收天線增益;σ為目標(biāo)RCS;λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng);R為雷達(dá)至目標(biāo)距離;Prt為雷達(dá)接收真實(shí)目標(biāo)回波功率。

有源模擬設(shè)備的工作過程為，雷達(dá)發(fā)射電磁波照射到有源模擬設(shè)備，RCS有源模擬設(shè)備接收天線接收照射電磁波，這一過程可表述為

(2)

RCS有源模擬設(shè)備對(duì)接收后的信號(hào)進(jìn)行功率控制或RCS特性調(diào)制，然后通過RCS有源模擬設(shè)備發(fā)射天線輻射給照射雷達(dá)，并被其接收天線所接收。這一過程可表述為

(3)

式(2)，(3)反映了RCS有源模擬設(shè)備的工作過程，由此有

(4)

式中：Gtc和Grc分別為RCS有源模擬設(shè)備和接收天線增益；grc為回路增益;Prtc為雷達(dá)接收RCS有源模擬設(shè)備回波功率。

通過比較式(1)和(4)可知，若通過調(diào)節(jié)RCS有源模擬設(shè)備回路增益grc，使得

(5)

則式(1)和(4)相等，即Prtc=Prt。此時(shí)，從雷達(dá)的角度看，RCS有源模擬設(shè)備模擬的是真實(shí)目標(biāo)RCS特性，兩者可以等效。

RCS有源模擬設(shè)備對(duì)接收后的信號(hào)進(jìn)行功率控制或RCS特性調(diào)制，然后通過RCS有源模擬設(shè)備發(fā)射天線輻射給照射雷達(dá)，此過程不可避免地引入了延時(shí)環(huán)節(jié)，將導(dǎo)致一定的距離跟蹤誤差[4-5]。若采用射頻存儲(chǔ)方式[6]，延時(shí)導(dǎo)致的距離跟蹤誤差將難以接受，下文設(shè)計(jì)的電路將極力降低該影響，將延時(shí)控制在ns量級(jí)，小于一個(gè)距離分辨單元，由此帶來的距離跟蹤誤差可以不予考慮。

2 無人靶機(jī)RCS有源模擬設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

通過上述有源模擬原理分析可知，影響到RCS有源模擬設(shè)備性能的主要是雷達(dá)工作頻率、RCS有源模擬設(shè)備收發(fā)天線增益以及回路增益。無人靶機(jī)RCS有源模擬設(shè)備電氣框圖如圖1所示[7]。

無人靶機(jī)主要存在的問題是空間尺寸小，結(jié)構(gòu)限制多，在高頻段(L及以上頻段)，因天線尺寸小，易于實(shí)現(xiàn)有源模擬設(shè)備加裝，而在低頻段，尤其是UHF等頻段，因其波長(zhǎng)長(zhǎng)，對(duì)RCS有源模擬設(shè)備收發(fā)天線結(jié)構(gòu)尺寸和擺放位置提出了極大的挑戰(zhàn)。

從無人靶機(jī)結(jié)構(gòu)看，拋去無人靶機(jī)動(dòng)力等所占空間，可用空間比較小，主要有機(jī)頭位置、左右機(jī)翼以及尾翼幾個(gè)位置可以布置RCS有源模擬設(shè)備。由于機(jī)身的遮擋，以及空間的限制，尾翼難以布置設(shè)備，不予考慮。主要考慮將RCS有源模擬設(shè)備布置在機(jī)頭位置和機(jī)翼位置。天線采用平面螺旋天線形式[8]，占用體積小，主波束寬，可以覆蓋大的角域面積，為增加收發(fā)天線隔離度[9-10]，將收發(fā)天線分別布置在機(jī)頭位置和機(jī)翼位置，發(fā)射天線布置在機(jī)頭位置，接收天線布置在右側(cè)機(jī)翼位置。為避免有源模擬設(shè)備影響無人機(jī)高頻段RCS特性，在天線位置設(shè)計(jì)加裝低通FSS天線罩[11-12]，透射RCS有源模擬設(shè)備工作頻段電磁波，同時(shí)反射其他高頻段電磁波。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證[13-16]

3.1 低頻段有源模擬效果驗(yàn)證

在暗室環(huán)境對(duì)加裝RCS有源模擬設(shè)備前的無人靶機(jī)以及加裝后的無人靶機(jī)進(jìn)行UHF頻段(550 MHz)RCS測(cè)試對(duì)比。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，RCS有源模擬設(shè)備加電工作后，前向RCS有一個(gè)很大的模擬，從統(tǒng)計(jì)均值看RCS大了一個(gè)量級(jí)，有源模擬效果明顯。RCS有源模擬設(shè)備加電狀態(tài)在+15°左右有一個(gè)凹坑，從RCS有源模擬設(shè)備天線布局的角度看，應(yīng)是接收天線只布置在了無人靶機(jī)右側(cè)機(jī)翼位置，在方位360°旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)，正好在+15°左右有一個(gè)大的遮擋，導(dǎo)致模擬該角度范圍模擬效果下降，后續(xù)可在無人靶機(jī)另一機(jī)翼上再加裝一個(gè)接收天線，增加有源模擬角度范圍。

3.2 高頻段性能驗(yàn)證

無人靶機(jī)加裝RCS有源模擬設(shè)備后高頻段前向±30°測(cè)試曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，在高頻段，無人靶機(jī)加裝有源模擬設(shè)備后和加裝前在前向±30°內(nèi)RCS特性基本在一個(gè)量級(jí)，說明加裝有源模擬設(shè)備對(duì)無人靶機(jī)高頻段RCS特性影響可以忽略不計(jì)(受限于寬帶天線罩性能影響，Ka波段加裝RCS有源模擬設(shè)備后對(duì)無人靶機(jī)RCS影響較大，但也在同一個(gè)量級(jí)，且因Ka頻段整體RCS量級(jí)較小，影響可以忽略不計(jì))。

4 結(jié)束語

對(duì)于無人靶機(jī)因空間尺寸限制，導(dǎo)致難以采取無源模擬方式實(shí)現(xiàn)RCS模擬的問題，本文通過研究有源模擬方式，給出了一種RCS有源模擬設(shè)計(jì)方案，可在無人靶機(jī)有限空間內(nèi)現(xiàn)實(shí)低頻段RCS的大量級(jí)模擬效果，又不影響無人靶機(jī)高頻段RCS特性。通過暗室試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明了設(shè)計(jì)方案的可行性。本文方法不僅適用于UHF等低頻段，也可應(yīng)用于L及以上頻段的RCS模擬。