新型變極化角反射器設(shè)計及散射特性分析

陳焱 王占領(lǐng)* 肖科 龐晨 計一飛 李永禎 王雪松

（1.國防科技大學電子科學學院 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室, 長沙 410073；2.國防科技大學電子科學學院電子科學系, 長沙 410073；3.國防科技大學電子科學學院智能感知系, 長沙 410073）

0 引 言

角反射器是一種高效的對抗雷達探測的無源干擾裝置，具有作用頻帶寬、干擾效果明顯、作戰(zhàn)效費比高等優(yōu)勢，被廣泛用于關(guān)鍵軍事要地和軍事目標的防護[1].角反射器一般由互相垂直的兩塊或三塊金屬面板構(gòu)成，入射電磁波在其內(nèi)部產(chǎn)生多次反射，使雷達來波沿入射方向反射回去，因此具有很強的雷達散射截面（radar cross section, RCS）[2].按照反射面數(shù)量的不同，常見的角反射器可分為兩面角、三面角、八面角、十二面角等.在實際作戰(zhàn)中，角反射器既可以用來模擬包括坦克、艦船、飛機等地/海/空中目標，又可以利用其強散射特性擾亂目標的雷達特征[1]，起到保護我方重要目標的目的.

常規(guī)的角反射器并不具備自適應(yīng)能力，一旦加工完成，構(gòu)型相對固定，因此散射特性固化，無法對回波進行靈活調(diào)控，容易被抗干擾算法鑒別，干擾效果受到限制.近年來，研制電磁特征靈活可控的新型角反射器是無源干擾裝置的一個重要發(fā)展趨勢[2-5]，這對于彌補傳統(tǒng)自衛(wèi)式無源干擾技術(shù)的不足，降低高價值目標的發(fā)現(xiàn)概率，具有重要的理論研究價值與軍事應(yīng)用意義.

極化作為電磁波的本質(zhì)屬性，是幅度、頻率、相位之外的重要基本參量，能夠反映目標的姿態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺寸等物理特征[6].隨著極化雷達的發(fā)展，極化信息獲取和利用已成為目標探測識別的有效手段之一.在目標識別領(lǐng)域，已有針對角反射器極化特性開展的一系列研究工作[7-10]，為角反射器類虛假目標的鑒別提供了理論支撐.在具備極化調(diào)控能力的干擾器件研究方面，受二維超表面技術(shù)發(fā)展的推動，近年來出現(xiàn)了極化可調(diào)超表面相關(guān)研究，文獻[11]中理論和實驗表明基于超材料的極化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率高達90%.在極化調(diào)控超材料設(shè)計方面，比較有代表性的是編碼型有源極化轉(zhuǎn)換表面[12-14]，這類極化調(diào)控超表面通過在單元上加載可變元器件，并通過外加激勵來改變元器件的參數(shù)，從而改變單元結(jié)構(gòu)的諧振狀態(tài)，使其反射特性隨之改變.通過加載有源器件的方式來實現(xiàn)極化調(diào)控，提高了電磁波調(diào)控的靈活性，但需要精心設(shè)計控制電路.

本文借鑒超材料的思想，設(shè)計了一種無需額外加載有源器件的極化柵，將極化柵加載在常規(guī)雷達角反射器上，通過控制極化柵的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)角反射器散射場極化狀態(tài)的實時變化、靈活調(diào)控，從而擾亂雷達回波，使對方雷達難以鑒別.將極化柵變極化技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)角反射器，既保留了角反射器的強散射性，又彌補了其靈活性差的缺陷，為新型電磁特征可調(diào)可控角反射器的研究提供了新思路、新方法.

1 變極化角反射器設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)角反射器散射理論

雷達角反射器的工作原理是利用偶鏡原理，將三個互相垂直的鏡面裝在一起，三條公共棱邊相當于三個偶鏡，因此光線無論從什么角度照射到它上面，都會沿著原來的方向反射回去.當雷達波束遇到角反射器時，由于每個表面的鏡面反射，會使波束最后以反轉(zhuǎn)180°的方式反射回來波方向.因此，當三面角反射器各平板相互正交時，在一個很寬的觀察角度范圍內(nèi)能夠呈現(xiàn)出很大的RCS，從而可以有效干擾跟蹤雷達、無線電信標等目標.可見，傳統(tǒng)的金屬無源角反射器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、架設(shè)容易、成本低廉等優(yōu)點.

角反射器根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)的不同通?？煞譃椋悍叫?、三角形、圓形三種類型[15].構(gòu)成角反射器的每個表面可認為是理想導體板(perfect electric conductor,PEC)，以方形角反射器為例，假設(shè)其垂直邊長為a，坐標原點與角反射器三條公共棱邊的交匯點重合，x軸、y軸、z軸分別為三條公共棱邊的延長線，其三維散射模型如下[15-16]：

式中：A=； θ為雷達視線方向與z軸夾角； ?為雷達視線方向在xOy平面上的投影與x軸的夾角.角反射器的最大反射方向為?=45°，θ=54.735 6°，即為正入射方向，其RCS 值的解析表達式為

將角反射器的RCS 與1 m2PEC 的RCS 比較，得到歸一化RCS：

以邊長為0.1 m 的方形角反射器為例，當入射電磁波頻率為10 GHz 時，根據(jù)式（2）、（3）計算得σmax=6.2 dBsm.當用垂直極化平面波照射時，經(jīng)角反射器反射后回波的垂直極化分量和交叉極化分量的RCS 分布如圖1 所示，最大值出現(xiàn)在?=45°，θ=55°附近.對比圖1(a)和圖1(b)中各極化分量的RCS 可見，角反射器口徑面內(nèi)的散射回波以垂直線極化為主，與入射波極化狀態(tài)一致.因此，常規(guī)角反射器對散射回波不具備極化調(diào)控能力.

圖1 方形三面角反射器口面內(nèi)RCS 分布Fig.1 RCS distribution of the square trihedral corner reflector in the plane

1.2 極化柵極化調(diào)控原理

圖2 給出了極化柵結(jié)構(gòu)示意圖.如圖所示，該極化柵是在圓形PCB 板中均勻嵌入多個金屬條，即柵條，圓形PCB 板用于固定柵條，以使變極化器在旋轉(zhuǎn)過程中不發(fā)生形變，從而降低變極化器旋轉(zhuǎn)對極化狀態(tài)調(diào)制效果的影響.令相鄰兩個金屬條的間距為d，柵條的厚度為t（柵條在垂直于柵板平面方向的寬度），柵條寬度為w，最優(yōu)狀態(tài)下，柵條之間相互平行，相鄰柵條之間的間距相等.利用柵條產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色散效應(yīng)，即電磁波在不同介質(zhì)中存在不同的傳播波長，從而產(chǎn)生相位差.

圖2 極化柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Geometrical sketch of the polarization gate

在極化柵工作時，柵板繞其幾何中心O，在其所在平面內(nèi)以角速度 ω轉(zhuǎn)動，柵條的方向不斷變化.根據(jù)柵條傾斜角度，定義與柵條平行的極化分量為EHi，與柵條垂直的極化分量為EVi.對于EVi，傳播波長為λ0；對于EHi，由于存在截止波長，所以傳播波長為 λg，且

式中： λg為波導波長； λ0為工作波長； λc為TE10模截止波長.

因此，電磁波經(jīng)柵條反射后，EVi與EHi分量之間相位差 Δφ為

這是由于當入射波經(jīng)過極化柵時，電磁波在柵條中的極化分量EHi波長被拉長，極化分量EVi波長保持不變，則極化分量EHi的相位產(chǎn)生滯后，從而與極化分量EVi間存在相位差.此外，由于極化柵為非理想金屬，入射波經(jīng)過極化柵后各極化分量有不同程度的衰減.綜上所述，極化柵通過調(diào)制入射波各極化分量的幅度和相位，實現(xiàn)對電磁波極化狀態(tài)的調(diào)控.

1.3 變極化角反射器設(shè)計理論

圖3 為所提出的新型變極化角反射器的結(jié)構(gòu)示意圖，該角反射器由傳統(tǒng)的方形三面角角反射器和圓形極化柵兩部分組成，通過機械控制極化柵繞自身幾何中心旋轉(zhuǎn)，入射到極化柵上的電磁波經(jīng)過極化柵的兩次調(diào)制，反射波的極化狀態(tài)發(fā)生改變.以入射波為垂直線極化波為例，柵板按一定的角速度繞中心點轉(zhuǎn)動，經(jīng)角反射器反射后的電磁波可經(jīng)歷垂直線極化、水平線極化、左旋圓極化、右旋圓極化等極化狀態(tài).作為干擾源使用時，極化狀態(tài)的改變導致極化方式固定的雷達天線無法有效接收雷達回波，同時，隨著極化柵旋轉(zhuǎn)角度的變化，雷達回波的極化散射特性呈時變的特點，增大了目標識別難度，從而達到對抗雷達探測的目的.

圖3 變極化角反射器極化調(diào)控原理示意圖Fig.3 Schematic of polarization control principle of the variable polarization corner reflector

此外，如果柵板的旋轉(zhuǎn)速度足夠快，角反射器可實現(xiàn)對雷達信號在脈沖內(nèi)和脈沖間聯(lián)合變極化調(diào)制；而對于常見的雷達信號脈寬和占空比而言，可實現(xiàn)脈沖間的變極化調(diào)制.

2 變極化角反射器散射特性分析

2.1 變極化角反射器參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)變極化角反射器設(shè)計理論，影響角反射器極化響應(yīng)的主要有極化柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、柵條旋轉(zhuǎn)角度以及極化柵與角反射器反射面的相對位置等.

極化柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括極化柵半徑、柵條厚度、柵條寬度、柵條稀疏度等.根據(jù)公式（5）可知，極化柵柵條之間的距離決定了垂直極化分量與水平極化分量之間的相位差，是影響極化柵極化調(diào)控能力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù).在此，以柵條間距為例，考慮極化柵柵條均勻排布與非均勻排布兩種排布方式，對極化柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方法進行說明.

首先，考慮極化柵柵條均勻排布，通過設(shè)置柵條間隔d依次為2、6、10 mm，利用電磁仿真軟件HFSS 模擬電磁波照射變極化角反射器，并經(jīng)變極化角反射器調(diào)制后反射回自由空間的過程，計算得到單站散射回波.仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示.

表1 變極化角反射器電磁仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Electromagnetic simulation parameter setting of the polarization variable corner reflector

圖4 展示了金屬柵條間隔依次設(shè)置為2、6、10 mm 時，經(jīng)變極化角反射器調(diào)制后回波的總散射場、主極化分量、交叉極化分量以及兩極化分量之間的相位差隨極化柵旋轉(zhuǎn)角度的變化趨勢.

圖4 柵條間隔對角反射器極化散射特性的影響Fig.4 The influence of polarization grid sparsity on polarization scattering characteristics

對比圖4 三幅圖中垂直極化分量和水平極化分量幅度值的相對大小以及兩極化分量之間相位差的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，柵條間隔較小時，回波以垂直極化為主，且僅當極化柵旋轉(zhuǎn)角度在60°以內(nèi)時兩極化分量之間相位差呈變化趨勢，但差值不超過100°，變化范圍較小.由此可見，柵條分布較密時，極化柵帶來的變極化效果不顯著.當柵條間隔取6 mm 時，占主導地位的極化分量對應(yīng)的極化狀態(tài)隨旋轉(zhuǎn)角度的改變發(fā)生多次變化，且兩極化分量之間相位差的變化幅度接近360°，變化趨勢平穩(wěn).當柵條間隔取10 mm 時，占主導地位的極化分量多次發(fā)生變化，但極化分量之間的相位差變化幅度不足200°，在一定程度上限制了極化狀態(tài)的豐富度.綜上分析，極化柵柵條間隔設(shè)定為6 mm 是相對較優(yōu)解.

根據(jù)電磁波極化表征理論，將電磁波的垂直極化分量EHi和水平極化分量EVi通過Poincaré球表征，每種極化狀態(tài)均可利用Poincaré球上的一點唯一表示[6].圖5 給出了極化柵柵條間隔為6 mm 時，變極化角反射器的極化響應(yīng)，其中LC 表示左旋圓極化，RC 表示右旋圓極化.由圖5 可知，當極化柵轉(zhuǎn)動時，經(jīng)極化角反射器調(diào)制，反射后的電磁波的極化狀態(tài)在Poincaré球上呈近似“8”字形分布，分別經(jīng)歷垂直極化、右旋橢圓極化、水平極化，右旋橢圓極化等多種極化狀態(tài)，表明所設(shè)計的變極化角反射器實現(xiàn)了對電磁波極化狀態(tài)的改變.

圖5 變極化角反射器極化響應(yīng)在Poincaré球上的表示（極化柵柵條均勻排布，d=6 mm）Fig.5 Polarization response to rotation represented with Poincaré sphere (with uniformly arranged polarization grid,d=6 mm)

此外，分析極化柵柵條非均勻排布情況下的極化調(diào)控能力，分別考慮柵條間隔由中心向邊緣逐漸增大、柵條間隔由中心向邊緣逐漸減小、柵條間隔隨機排布三種排布方式，如圖6 所示，三種極化柵調(diào)制后散射回波的極化響應(yīng)由圖7 給出.

圖6 極化柵柵條非等間隔分布示意圖Fig.6 Schematic of unequal spacing distribution of polarization grid strips

圖7 變極化角反射器極化響應(yīng)在Poincaré球上的表示(極化柵柵條非均勻排布)Fig.7 Polarization response to rotation represented with Poincaré sphere (with unequal spacing distribution)

圖7 表明，極化柵非均勻排布可以提升極化狀態(tài)分布的離散程度，對提升極化狀態(tài)調(diào)控能力具有一定增益.同時，與均勻排布時的極化響應(yīng)對比可知，非均勻排布增加了極化狀態(tài)變化的無序性，給極化精準調(diào)控增加了難度.

除對極化柵柵條間隔的變極化效應(yīng)進行分析之外，我們還仿真分析了極化柵柵條寬度、極化柵半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對變極化角反射器極化調(diào)制效果的影響，分析表明極化柵柵條寬度的變化對極化調(diào)制效果無影響；極化柵柵板半徑較小時調(diào)制效果較弱，隨著柵板面積的增大，對金屬角反射器的覆蓋率增大，調(diào)制效果得到提升.

2.2 典型旋轉(zhuǎn)角度下空域散射特性分析

為考察經(jīng)變極化角反射器調(diào)制后的散射回波在口徑面內(nèi)的分布情況，選取極化柵旋轉(zhuǎn)0°（極化柵柵條與x軸平行）以及60°（極化柵柵條與x軸夾角為60°）兩個典型角度進行仿真分析，角反射器口面內(nèi)散射場的幅度和相位分布分別如圖8、圖9 所示.與傳統(tǒng)角反射器的極化散射特性（見圖1）相比，變極化角反射器的交叉極化分量有明顯提升，說明電磁波經(jīng)過極化柵后，主極化和交叉極化分量的幅度被調(diào)制.從圖8 和圖9 的相位分布圖可知，在反射器口面內(nèi)，相位呈現(xiàn)區(qū)域性差異.為進一步分析變極化角反射器對不同方位角度入射波的調(diào)制效果，仿真計算了典型俯仰角下垂直極化分量和水平極化分量在方位向的分布變化趨勢，如圖10 和圖11 所示.

圖8 極化柵旋轉(zhuǎn)角度?=0?時散射回波空域分布Fig.8 Spatial distribution of scattering echo with the rotation of polarization gate as ?=0°

圖11 極化柵旋轉(zhuǎn)角?=60?時典型俯仰角度單站RCS 分布Fig.11 Monostatic RCS distribution with typical elevations with the rotation of polarization grid ?= 60°

由圖10 和圖11 可見：對于低仰角（θ=5°）入射波，不同極化分量在水平面內(nèi)變化較平緩；對于高仰角（θ=85°）入射波，經(jīng)調(diào)制后極化狀態(tài)不發(fā)生變化，仍以垂直極化為主，在介于兩者之間的角度上，兩極化分量在水平面內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的起伏趨勢.上述分析說明變極化角反射器在口面內(nèi)具備極化調(diào)控能力.

2.3 實驗驗證

為驗證所提變極化角反射器對電磁波的極化調(diào)控能力，使用PCB 工藝加工了一副極化柵，極化柵柵條等間隔排布，結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致.在柵板中心位置和金屬角反射器底面的中心位置分別打孔，通過小型電機將極化柵與角反射器相連，柵板結(jié)構(gòu)在電機的驅(qū)動下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成變極化角反射器.

實驗依托微波暗室的RCS 采集系統(tǒng)開展，圖12為實驗場景圖，轉(zhuǎn)臺位于暗室的正中心位置，以降低環(huán)境雜波的影響，將極化角反射器至于轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺來改變?nèi)肷洳ㄅc變極化角反射器之間方位向的夾角.距離轉(zhuǎn)臺直線距離16 m 處分別安置一對X 波段線極化喇叭天線作為收發(fā)裝置，兩副喇叭天線緊鄰，可作為單站使用，為避免相互影響，中間用吸波材料隔開.測試過程中，發(fā)射天線始終發(fā)射垂直極化波，通過旋轉(zhuǎn)接收天線波導口的方向，使其依次接收散射回波的垂直極化分量和水平極化分量.

利用矢網(wǎng)分析儀依次采集定標金屬球和變極化角反射器的回波數(shù)據(jù)，記為S21a、S21b并保存，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，所有測試數(shù)據(jù)均取自靜區(qū).根據(jù)公式（6）計算得到變極化角反射器的RCS 值：

圖13 至圖15 給出了極化柵在三種不同旋轉(zhuǎn)角度下，主極化和交叉極化分量在方位向的分布曲線.

圖13 極化柵與入射波垂直時單站RCS 方位向分布Fig.13 The distribution of monostatic RCS in azimuth with the polarization grids parallel to the incident wave

圖14 極化柵與入射波夾角為45°時單站RCS 方位向分布Fig.14 The distribution of monostatic RCS in azimuth when the included angle between the polarization grid and the incident wave equals to 45°

圖15 極化柵與入射波平行時單站RCS 方位向分布Fig.15 The distribution of monostatic RCS in azimuth with the polarization grids perpendicular to the incident wave

由圖13 至圖15 可見：隨著入射波方向的改變，散射回波的能量在水平方向呈起伏變化趨勢；當極化柵柵條與角反射器之間的夾角發(fā)生變化時，主極化與交叉極化分量的相對大小發(fā)生改變，即占主導地位的極化分量在垂直極化與水平極化之間更迭，相應(yīng)地，回波極化狀態(tài)發(fā)生改變.

本實驗開展過程中，由于喇叭天線的俯仰和方位不可調(diào)整，同時考慮高空架設(shè)的安全問題，僅對較低仰角（θ=25°）入射波照射角反射器的場景進行了測試，一定程度上導致了測試得到的回波能量較低.但從實驗結(jié)果上來看，即使在較低仰角下，散射回波的極化狀態(tài)隨方位變化、極化柵旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)變化趨勢，驗證了變極化角反射器具有較強的極化調(diào)控能力.

3 結(jié) 論

本文面向雷達對抗應(yīng)用場景中的無源干擾發(fā)展需求，充分利用極化柵與角反射器的優(yōu)勢，將極化柵與傳統(tǒng)三面角反射器結(jié)合，提出了一種低成本、極化狀態(tài)可調(diào)的新型角反射器結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)極化柵，可以實現(xiàn)對雷達回波極化狀態(tài)的實時調(diào)控.文章重點分析了極化柵的柵條間隔以及旋轉(zhuǎn)角度對極化調(diào)控能力的影響，當極化柵旋轉(zhuǎn)時，回波的極化狀態(tài)在Poincaré球上呈近似“8”字形.針對典型旋轉(zhuǎn)角度，分析了經(jīng)變極化角反射器調(diào)制后雷達回波的空域散射特性，結(jié)合典型俯仰角下的單站RCS，探索了角反射器口徑面內(nèi)的極化響應(yīng).最后，加工制作了極化柵，對變極化角反射器的散射特性進行了實驗測試，驗證了變極化角反射器具備較強的極化調(diào)控能力.本文所設(shè)計的變極化角反射器為極化信息應(yīng)用于目標防護提供了新方向，所提出的研究方法和設(shè)計思路對新型角反射器的研究提供了新思路.本文工作側(cè)重于闡述變極化角反射器的變極化效果，后續(xù)可在此基礎(chǔ)上對極化狀態(tài)的精確控制以及對雷達成像、跟蹤檢測的干擾效果開展相關(guān)研究工作.