可展收的新型超輕質(zhì)角反射器設(shè)計

宗亞靂 李帥鵬* 馬昕宇 楊癸庚 弓明豪

（1.西北工業(yè)大學(xué), 西安 710129；2.西安理工大學(xué), 西安 717048；3.西安電子科技大學(xué), 西安717017）

0 引 言

隨著當(dāng)前電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，電磁對抗發(fā)展越來越快，層出不窮的電磁對抗設(shè)備和工具改變了現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的形式.在電磁對抗中，發(fā)揮關(guān)鍵作用的雷達(dá)角反射器就是一種有效的無源干擾設(shè)備，通過構(gòu)成虛假目標(biāo)以達(dá)到隱真示假的目的，進(jìn)而保護(hù)重要戰(zhàn)略裝備[1].此外，角反射器還能夠為海上工作人員提供警示的作用，也可應(yīng)用于地震形變的監(jiān)測以提高形變監(jiān)測的精度等方面[2].同時，角反射器具有成本低、頻帶寬、全方位、使用方便、干擾持久、干擾效果明顯等特點，與有源干擾設(shè)備相比，角反射器這類無源干擾不存在主動暴露的缺點，干擾手段也越來越多，技術(shù)日臻完善.

作為無源器件，角反射器的應(yīng)用雖然廣泛，但傳統(tǒng)角反射器具有固定的尺寸、體積和較大的質(zhì)量，其在結(jié)構(gòu)加工完成之后便再難以根據(jù)電磁環(huán)境的變化而調(diào)節(jié)自身的散射特性，使用受限.文獻(xiàn)[3]提出了一種新型角反射器，具有一定的空間優(yōu)勢，但犧牲了一定的俯仰角寬度，也無法實現(xiàn)散射特性的調(diào)控.文獻(xiàn)[4]發(fā)明了一種可自由調(diào)節(jié)方位和俯仰的角反射器裝置，但整體結(jié)構(gòu)形式固定.在日漸復(fù)雜的應(yīng)用需求下，兼顧上述散射特性可調(diào)和結(jié)構(gòu)可變的問題日趨突出，對輕質(zhì)量、運(yùn)載過程中易于收納、服役過程中雷達(dá)散射截面積(radar cross-section, RCS)可調(diào)的角反射器的需求日益迫切.

為解決上述問題，學(xué)者們基于角反射器[5]和超材料技術(shù)[6-18]等開展了豐富的研究.文獻(xiàn)[5]從結(jié)構(gòu)可變角度出發(fā)，設(shè)計了一種反射面葉片可旋轉(zhuǎn)的角反射器，其中葉片旋轉(zhuǎn)能夠改變散射特性峰值的位置和方向圖寬度，但缺點是每個葉片獨立旋轉(zhuǎn)均需要單獨控制，系統(tǒng)復(fù)雜且結(jié)構(gòu)尺寸固定.除此之外，還可以通過旋轉(zhuǎn)角反射器達(dá)到散射特性調(diào)控效果[7]，從而可以通過其旋轉(zhuǎn)對雷達(dá)的探測造成干擾.當(dāng)角反射器做旋轉(zhuǎn)或振動等微小運(yùn)動時，雷達(dá)回波將產(chǎn)生獨特的非線性相位調(diào)制效應(yīng)，則目標(biāo)圖像將不再容易判斷，如出現(xiàn)模糊和散焦等現(xiàn)象[8].

結(jié)合超材料的迅速發(fā)展，應(yīng)用超材料實現(xiàn)對雷達(dá)回波重要參數(shù)的精確調(diào)控技術(shù)得到了空前發(fā)展[6].文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種具有超材料吸波體的新型角反射器，能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻率下相似的RCS 散射特性，從而使雷達(dá)無法分辨目標(biāo).但其中的超材料吸波體安裝要求較高，對位置精度比較敏感.

文獻(xiàn)[10-12]提出了基于超材料的機(jī)械調(diào)控或電調(diào)控，實現(xiàn)了超寬帶吸收器到反射器的功能切換.文獻(xiàn)[10]通過折紙的伸縮實現(xiàn)了6～16 GHz 內(nèi)10 dBsm 幅度的調(diào)控效果，但該方法的反射狀態(tài)需要將表面積增大至吸波狀態(tài)的3 倍.文獻(xiàn)[11]基于變?nèi)荻O管的電容可變提出了一種X 波段頻帶可調(diào)諧的超材料吸波，75%的吸收帶寬可以從0.4 GHz 調(diào)諧到0.74 GHz，但當(dāng)應(yīng)用于高頻時，二極管準(zhǔn)確性下降，該方法應(yīng)用受限.有學(xué)者[12]將水與低介電常數(shù)的材料混合，利用水在微波頻率下具有頻散介電常數(shù)的特性，所提出的超材料能夠?qū)崿F(xiàn)6.2～19 GHz 寬頻帶吸收功能.此外，可通過改變環(huán)境溫度來調(diào)節(jié)吸收帶寬[12]，該方法通過溫度加熱進(jìn)行控制，時效性不夠高.引入數(shù)字編碼的思想，文獻(xiàn)[13]利用加法規(guī)則設(shè)計了一種01 編碼超表面，既減少了編碼的個數(shù)，又能夠?qū)崿F(xiàn)靈活調(diào)控超表面的遠(yuǎn)場散射特性.

在雷達(dá)對抗領(lǐng)域中，散射縮減與增強(qiáng)均有不同的應(yīng)用場景，可分別用來實現(xiàn)隱身與干擾.文獻(xiàn)[14]提出了一種非對稱開口圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的極化轉(zhuǎn)換超表面，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶內(nèi)RCS 的縮減，實現(xiàn)隱身.而文獻(xiàn)[15]提出的基于角反射器的箔條雷達(dá)散射特性增強(qiáng)方法能夠?qū)崿F(xiàn)單根箔條的RCS 增大30 dBsm 以上，實現(xiàn)干擾.雖然目標(biāo)散射特性縮減與增強(qiáng)都能在對抗中發(fā)揮不同的作用，但散射特性調(diào)控的相關(guān)研究距落地應(yīng)用還有一定的難度，若能夠?qū)崿F(xiàn)兩種狀態(tài)的隨意切換，即實現(xiàn)調(diào)控，將會在雷達(dá)對抗中占據(jù)極大的優(yōu)勢.

綜上所述，許多學(xué)者提出了新型角反射器和可調(diào)控的超材料，實現(xiàn)了特定頻段內(nèi)的散射調(diào)控，適用場景也各不相同.而角反射器因其獨特的散射特性，通過精心設(shè)計，可實現(xiàn)寬頻帶和更大的散射特性調(diào)控幅度.但現(xiàn)有的一些雷達(dá)角反射器或陣列多以金屬實體面為反射面，如圖1(a)，當(dāng)整體結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定，其較大的質(zhì)量和過大的體積都為裝載、運(yùn)輸和使用帶來了很大的困難[16].少部分新型角反射器雖然具有散射特性調(diào)控的能力，但普遍具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和龐大的體積[17]，且調(diào)控范圍很小[18]，很難滿足對于散射特性的復(fù)雜多變要求.

圖1 傳統(tǒng)角反射器結(jié)構(gòu)與超輕質(zhì)角反射器結(jié)構(gòu)對比Fig.1 Comparison between traditional and ultra-lightweight corner reflector structure

因此，針對傳統(tǒng)角反射器質(zhì)量大、體積大、結(jié)構(gòu)固定無法實現(xiàn)大幅度散射特性調(diào)控的問題，本文提出了一種新型可展收輕質(zhì)化雷達(dá)角反射器設(shè)計方法.其可應(yīng)用于海陸空等場景，依據(jù)該方法設(shè)計的樣機(jī)單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示.本文分析了該角反射器單元及其組成陣列的電磁散射特性，提出了RCS 調(diào)控方案.最后對調(diào)控效果進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明該新型角反射器陣列具有輕質(zhì)化和散射特性大幅度可調(diào)的特點.

1 角反射器RCS 分析方法與驗證

1.1 RCS 含義

RCS 是衡量目標(biāo)散射雷達(dá)波能力的重要指標(biāo)，其大小依賴于目標(biāo)的幾何形狀、朝向、目標(biāo)材料等，同時也和入射波的頻率與極化形式等有關(guān)[19].一般而言，目標(biāo)的RCS 可按雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是否處于同一位置而分為單站RCS 和雙站RCS.

RCS 能夠反映目標(biāo)在雷達(dá)接收方向反射電磁波的能力，即在單位立體角下，其大小可表示為目標(biāo)的散射功率密度與目標(biāo)在雷達(dá)接收方向上的入射功率密度之比，如式(1)所示：

式中： σ表示目標(biāo)的RCS，m2；r表示目標(biāo)至雷達(dá)之間的距離，m；Er表示散射波的電場強(qiáng)度，V/m；Ei表示入射波的電場強(qiáng)度，V/m.

通常，RCS 的單位為dB(dBsm)或m2，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

有關(guān)目標(biāo)RCS 求解的方法很多，如早期的經(jīng)典解法：幾何繞射理論、物理光學(xué)法、彈跳射線法和物理繞射理論等；之后隨著硬件計算性能的提高，又出現(xiàn)了諸如有限元法(finite element method, FEM)、時域有限差分法和矩量法的全波數(shù)值分析方法；后續(xù)又出現(xiàn)了快速多極子方法等快速算法[20].本文基于全波分析法進(jìn)行RCS 計算，由于本文重點不在目標(biāo)RCS 的計算方法上，故不在此展開.

1.2 角反射器單元RCS 分析方法

本文采用FEM 進(jìn)行角反射器單元的RCS 計算，為驗證仿真計算方法的正確性，將計算結(jié)果與理論計算（等效截面法）[21]進(jìn)行了對比分析.

基于FEM 的全波頻域電磁場求解器HFSS 軟件可用來計算雷達(dá)角反射器的散射特性.HFSS 軟件能夠?qū)⒂嬎阌蚱史殖捎邢迋€不重疊的單元，并結(jié)合對應(yīng)的邊界條件進(jìn)行計算.在確定雷達(dá)角反射器的尺寸和工作頻率后，便可采用該求解器對其RCS 進(jìn)行計算.對于口徑面邊長為500 mm 的角反射器單元，采用FEM 求解后，得到4 GHz 下角反射器單元雙站RCS 結(jié)果如圖2 所示.

圖2 4 GHz 角反射器單元雙站RCS 仿真結(jié)果（入射波角度為θ=58°, φ=45°）Fig.2 Simulation results of bistatic RCS of 4 GHz corner reflector unit (incident wave direction: θ=58°, φ=45°)

采用等效截面法的理論公式進(jìn)行關(guān)鍵入射角處的RCS 計算時，將角反射器單元置于如圖3 所示坐標(biāo)系中，入射波的俯仰角和方位角分別為 θ、φ，則雷達(dá)方向的單位矢量r=(rx,ry,rz)可表示為[21]

圖3 角反射器單元位置坐標(biāo)示意圖Fig.3 Corner reflector unit position coordinate

因此，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，目標(biāo)的RCS 可由式(4)表示：

式中，Seff表示等效散射截面積，

a是角反射器單元的棱長，取353.55 mm，l、m和n滿足

利用等效截面法與HFSS 有限元全波分析方法求解的4 GHz 時散射特性對比如表1 所示.

表1 不同方法獲得的最大RCS 及其相應(yīng)的入射波方向Tab.1 Maximum RCS obtained by different methods and their corresponding incident wave directions

據(jù)表1 所得結(jié)果可知，對于雷達(dá)角反射器單元，利用FEM 和等效截面法所得到的最大RCS 非常接近，誤差僅0.630 2 dBsm，且此時的入射波方向也非常接近.由此可見，本文基于FEM 計算的正確性能夠被等效截面法驗證.同時，也可以看出雷達(dá)角反射器能夠形成對來波的強(qiáng)反射，可為后續(xù)角反射器陣列和散射特性調(diào)控的相關(guān)研究做鋪墊.

1.3 輕質(zhì)化設(shè)計

由于傳統(tǒng)角反射器大都由金屬板拼接而成，其本身的質(zhì)量為角反射器的裝載、運(yùn)輸和使用帶來了麻煩.因此，為了滿足更高的功能需求，本文提出了新型角反射器，可極大地減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從支撐結(jié)構(gòu)、反射面和連接關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，創(chuàng)新性地提出了輕質(zhì)化設(shè)計方案，同時還能夠滿足該新型角反射器的散射特性可調(diào)控的功能特性.

1.3.1 輕質(zhì)化反射面

為減輕角反射器質(zhì)量，本文以金屬絲網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬反射面.金屬絲網(wǎng)通常有鍍金鉬絲、鍍金鎳絲和不銹鋼絲等，絲徑可低至0.025 4 mm[22]，網(wǎng)孔形狀常見的有圖4 所示的方形和三角形等形式.表2 給出了反射面為不同金屬材質(zhì)、厚度為0.025 4 mm 時，與不同類型金屬絲網(wǎng)的質(zhì)量對比情況.

表2 不同材料和類型的反射面質(zhì)量對比Tab.2 Comparison of reflective surface weights of different materials and types

圖4 絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)常見的兩種單元形式Fig.4 Two common cell forms of mesh structure

從表2 可以看出，由鉬金屬做成的實體反射面最重，而具有三角單元的網(wǎng)狀反射面最輕，具有方形單元的網(wǎng)狀反射面稍重于三角單元的網(wǎng)狀反射面.在實體反射面中，由鋁合金做成的實體反射面最輕，但其質(zhì)量仍約是具有方形單元的網(wǎng)狀反射面質(zhì)量的11 倍、具有三角單元的網(wǎng)狀反射面質(zhì)量的26 倍.以上結(jié)果表明，網(wǎng)狀反射面在新型輕質(zhì)化雷達(dá)角反射器中的應(yīng)用非常具有潛力，對于大規(guī)模的陣列，其優(yōu)勢更加顯著.

對于金屬絲網(wǎng)的電性能，不同于傳統(tǒng)角反射器的金屬板反射面，所提出的新型角反射器反射面由金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，當(dāng)滿足一定條件后，金屬絲網(wǎng)可等效成實體反射面.文獻(xiàn)[23]根據(jù)網(wǎng)孔形狀、網(wǎng)孔單元長度l與工作波長 λ的關(guān)系提出了等效條件：當(dāng)網(wǎng)孔是方形且滿足l≤0.05λ，或網(wǎng)孔是三角形且l≤0.08λ時，絲網(wǎng)反射面和實體反射面在電性能方面的差距非常小，可將絲網(wǎng)反射面等效成實體反射面.相比于實體反射面，金屬絲網(wǎng)具有兩個其不可比擬的優(yōu)勢：一方面是極輕的質(zhì)量優(yōu)勢；一方面具有柔性可折疊的特性.其可為后續(xù)角反射器的展收設(shè)計做鋪墊.在對加工精度、成本和電性能特性等方面綜合考慮后，本文選取了0.05 mm 的不銹鋼絲編織的金屬反射絲網(wǎng)，網(wǎng)孔形狀為方形，網(wǎng)孔直徑為5 mm，將金屬絲網(wǎng)用專用粘貼劑貼附到角反射器骨架上，制作了口徑面邊長為0.5 m 的角反射器單元樣件，以驗證方案的可行性.

1.3.2 輕質(zhì)化骨架

相比于傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，碳纖維桿在能夠滿足極大減輕質(zhì)量的條件下還能提供較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也具有耐腐蝕、抗老化、抗沖擊和組裝方便等特點.同時，碳纖維桿加工成本較低，因此，它成為了該新型角反射器支撐結(jié)構(gòu)的不二之選.對于本文設(shè)計的0.5 m 雷達(dá)角反射器樣件，其支撐骨架結(jié)構(gòu)，包括圖5 所示的支撐桿和上弦桿，均采用了直徑為5 mm 的碳纖維桿.

圖5 輕質(zhì)化支撐骨架Fig.5 Lightweight support frame

1.3.3 輕質(zhì)化連接關(guān)節(jié)

為了實現(xiàn)骨架支撐作用和可折疊展收功能，碳纖維桿之間需要依靠特定的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接.本文0.5 m 口徑面邊長的角反射器樣件，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)選擇了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大、密度較小的鋁鎂合金材料，其可實現(xiàn)碳纖維桿之間的連接和展收功能.

為了避免上弦桿展開時處于死點，上弦桿之間的展開關(guān)節(jié)會控制兩端的上弦桿之間留有一定的角度.由于編織而成的金屬絲網(wǎng)具有一定的彈性，在碳纖維桿支撐骨架展開收攏時，金屬絲網(wǎng)反射面也會跟著展開和收縮.

將輕質(zhì)化反射面、骨架與連接關(guān)節(jié)裝配，得到該新型角反射器單元裝配實物圖如圖6 所示.

圖6 角反射器單元裝配實物圖Fig.6 Picture of corner reflector unit assembly

2 可展開-收攏角反射器陣列設(shè)計

由于單個0.5 m 口徑面邊長的雷達(dá)角反射器對RCS 調(diào)控的范圍有限，無法滿足工程實踐中對大幅調(diào)控的需求，本文將以所提出的新型雷達(dá)角反射器為基礎(chǔ)，給出角反射器陣列的構(gòu)型設(shè)計方案，同時給出新型雷達(dá)角反射器陣列通過自身狀態(tài)的改變而實現(xiàn)散射特性調(diào)控的方案.

2.1 角反射器陣列設(shè)計

令三角形三面角反射器的口徑面為正三角形，將角反射器單元圍繞口徑面的一個點旋轉(zhuǎn)，得到由6 個單元組成的正六邊形形式的單層角反射器陣列，為提高角反射器陣列在更大空間范圍內(nèi)的散射能力，該方案將角反射器陣列設(shè)計為對稱的兩層角反射器陣列，且兩層角反射器陣列的口徑面朝向相反，如圖7 所示.

圖7 新型雷達(dá)角反射器陣列的構(gòu)型示意圖Fig.7 The configuration of the novel radar corner reflector array

在確定好角反射器陣列的構(gòu)型后，設(shè)計碳纖維桿和連接關(guān)節(jié)組成陣列的結(jié)構(gòu)骨架作為支撐結(jié)構(gòu)，如圖8 所示.

圖8 新型角反射器陣列支撐結(jié)構(gòu)裝配圖俯視圖Fig.8 Top view of assembly drawing of novel corner reflector array support structure

加工裝配后的1 m 口徑12 單元的角反射器陣列實物如圖9 所示，整體質(zhì)量僅有1.325 kg.

圖9 新型可展開-收攏的輕質(zhì)化角反射器陣列實物Fig.9 The novel type of lightweight corner reflector array with unwrapping and folding function

該新型雷達(dá)角反射器陣列的結(jié)構(gòu)指標(biāo)如表3 所示.

表3 本文設(shè)計的輕質(zhì)化角反射器陣列結(jié)構(gòu)指標(biāo)Tab.3 The design of lightweight corner reflector array structure index in this paper

由表3 不難看出，本文設(shè)計的角反射器陣列在輕質(zhì)化方面具有突出的優(yōu)勢，體密度僅為2.498 ×10?9kg/mm3，而金屬絲網(wǎng)作為反射面僅占據(jù)整體質(zhì)量的7.92%；此外，其展開體積為0.325 m3，收攏體積僅有0.004 m3，收納率高達(dá)81.25%.極致的輕量化設(shè)計和形態(tài)可切換功能為該新型雷達(dá)角反射器的創(chuàng)新設(shè)計和應(yīng)用提供了極大的優(yōu)勢和參考價值.

2.2 基于結(jié)構(gòu)展開-收攏的調(diào)控方法

在提出的新型雷達(dá)角反射器陣列實現(xiàn)極致輕量化的基礎(chǔ)上，本節(jié)將對陣列可展開-收攏設(shè)計進(jìn)行闡述，主要包括調(diào)控原理、調(diào)控方案和調(diào)控效果三個方面.

2.2.1 調(diào)控原理

所提出的雷達(dá)角反射器陣列通過展現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)實現(xiàn)對RCS 的調(diào)控.得益于角反射器陣列的可展開-收攏功能，其不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)可依靠口徑面的展開程度或兩向接頭所連接的兩個上弦桿組成的角度確定，不同的展開程度對來波的散射情況不同.使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動角反射器陣列完成展開-收攏的動作，且可使其處于任意中間形態(tài)，不同結(jié)構(gòu)形態(tài)具有對電磁波不同的散射特性.因此，控制角反射器陣列的結(jié)構(gòu)形態(tài)得到對應(yīng)不同的RCS，以此關(guān)系實現(xiàn)對RCS 的調(diào)控.此外，角反射器陣列的輕質(zhì)化設(shè)計也為形態(tài)的切換提供了便利.

2.2.2 調(diào)控方案

角反射器陣列的反射面均為具有彈性的金屬絲網(wǎng)，當(dāng)陣列在不同結(jié)構(gòu)形態(tài)間切換時，金屬絲網(wǎng)均能夠保持反射面平整狀態(tài)，從而減小了雜亂的絲網(wǎng)對電磁波的散射.碳纖維桿在不同結(jié)構(gòu)的連接關(guān)節(jié)的連接作用下形成了整體陣列的支撐結(jié)構(gòu)，如圖10 所示.當(dāng)陣列在展收過程中，支撐桿以花盤3 為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度決定了陣列的展開程度；每兩個上弦桿之間利用花盤或兩向接頭連接，其中，上弦桿在兩向接頭的連接下能夠完成折疊動作，該動作能夠使角反射器陣列進(jìn)行展開或收攏；兩向接頭中安裝有彈簧結(jié)構(gòu)，確保了金屬絲網(wǎng)反射面在陣列完全展開狀態(tài)下能夠保持平整狀態(tài).

圖10 新型雷達(dá)角反射器陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic of the novel radar corner reflector array

欲實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的展開收攏，需要步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動.角反射器陣列上下兩端的花盤結(jié)構(gòu)均留有位置以供電機(jī)繩穿裝.由于本文所提出的角反射器陣列自身的結(jié)構(gòu)能夠使得其在展開和收攏過程中切換任意結(jié)構(gòu)形態(tài)，因此，步進(jìn)電機(jī)可通過對金屬細(xì)繩的驅(qū)動，進(jìn)而達(dá)到對角反射器陣列的間接驅(qū)動，可分為展開和收攏兩個過程.

收攏過程：在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動作用下，金屬細(xì)繩收緊拉伸，迫使角反射器陣列收攏，而金屬絲網(wǎng)隨之收攏，陣列口徑面減小，陣列RCS 也隨之減小.

展開過程：步進(jìn)電機(jī)釋放電機(jī)驅(qū)動繩，角反射器陣列在自身重力和兩向接頭內(nèi)部彈簧的作用下進(jìn)行展開，金屬絲網(wǎng)也隨之逐漸展開形成平整反射面，陣列口徑面增大，陣列RCS 也隨之增大.

為防止電機(jī)啟停時的沖擊作用，研究對步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)速度規(guī)劃，結(jié)果如圖11 曲線所示，由于電機(jī)配套有可編程運(yùn)動控制器，既能夠控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，又能夠控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，因此，該速度規(guī)劃曲線可以根據(jù)需求而改變.控制電機(jī)繩的拉伸程度，以此控制陣列口徑面的展開程度，從而可以得到展開到收攏過程（或逆過程）中的任意結(jié)構(gòu)形態(tài)，相應(yīng)地也能得到任意大小的陣列口徑面.因此，依據(jù)角反射器陣列不同的展開程度，形成對RCS 的調(diào)控.

圖11 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)劃曲線Fig.11 Stepper motor speed planning curve

2.2.3 調(diào)控效果

將新型雷達(dá)角反射器陣列實物裝載到實驗機(jī)架上，機(jī)架起到支撐整個角反射器陣列的作用，如圖12所示，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制下，角反射器陣列能夠按給定模式進(jìn)行展開和收攏動作，在給定設(shè)置好的電機(jī)驅(qū)動參數(shù)后，整個角反射器陣列能夠順利地展開和收攏.

圖12 新型角反射器陣列的三種結(jié)構(gòu)狀態(tài)Fig.12 Three structural states of the novel corner reflectorarray

2.3 RCS 調(diào)控性能測試

為了驗證該新型角反射器陣列展開收攏的結(jié)構(gòu)變化對RCS 的效果，本文采用時域超寬帶RCS 測量方法對上述1 m 口徑12 單元的角反射器陣列的實驗測試，其原理如圖13 所示.

圖13 時域超寬帶RCS 測量系統(tǒng)Fig.13 Time-domain ultra-wideband RCS measurement system

在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下，可以看出，該角反射器陣列能夠穩(wěn)定地維持不同的展開收攏程度（不同狀態(tài)），以此作為散射特性調(diào)控的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).下面將會給出四種不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的RCS 隨入射波頻率變化的關(guān)系，并給出實驗測試的分析.

分別記展開狀態(tài)與收攏狀態(tài)為狀態(tài)1 與狀態(tài)2，并給出兩種中間狀態(tài)a 和b（以角反射器陣列的兩向接頭所連接的上弦桿之間的夾角分別為135°和90°區(qū)分中間狀態(tài)a 和b），如圖14 所示，實測結(jié)果如圖15～17 所示.

圖14 新型角反射器陣列展開與收攏狀態(tài)及中間狀態(tài)圖Fig.14 Unwrapping, folding state and intermediate state picture of the novel corner reflector array

圖15 角反射器陣列狀態(tài)1 和2 的散射特性Fig.15 Scattering characteristics of corner reflector array in states 1 and 2

由圖15 可以看出：在狀態(tài)1 下，陣列為展開狀態(tài)，主要呈現(xiàn)出增強(qiáng)反射的特性，多數(shù)頻點的RCS 值大于10 dBsm，說明能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)反射的基礎(chǔ)功能；在狀態(tài)2 下，陣列收攏，口徑減小，在絕大多數(shù)頻率下具有較低的RCS.對比兩種狀態(tài)下的RCS 曲線，其差值在一些頻點處高達(dá)30 dBsm.兩種狀態(tài)的RCS 測試曲線的結(jié)果能夠初步驗證狀態(tài)切換可以實現(xiàn)散射特性調(diào)控的功能，即通過在狀態(tài)1 和2 之間切換，改變角反射器陣列的口徑大小以改變其反射強(qiáng)度，從而調(diào)整RCS，實現(xiàn)對來波的調(diào)控，且調(diào)控幅度較大.

由圖16 可以看出：由狀態(tài)a 到狀態(tài)b 的結(jié)構(gòu)變換后，角反射器陣列的口徑減小，且后者狀態(tài)的大部分頻點下陣列RCS 減?。幌啾扔跔顟B(tài)a，除部分頻點外，狀態(tài)b 下具有更低的RCS.因此，在電機(jī)驅(qū)動下，角反射器陣列口徑可以實現(xiàn)變化.從狀態(tài)1 到狀態(tài)a、b，再到狀態(tài)2，陣列口徑減小，RCS 更低；反過來，RCS 增大；或從中間狀態(tài)無規(guī)律地展開或收攏，實現(xiàn)對散射特性的控制.

圖16 角反射器陣列中間狀態(tài)a 和b 的散射特性Fig.16 Scattering characteristics of corner reflector array in intermediate state a and b

由于該新型角反射器陣列的連接關(guān)節(jié)為金屬材質(zhì)，降低了后向散射，導(dǎo)致圖15 中其調(diào)控效果在有些頻段不顯著.故本文另設(shè)計一款采用樹脂材質(zhì)連接關(guān)節(jié)的處于展開狀態(tài)的同尺寸角反射器陣列，以降低金屬連接關(guān)節(jié)對散射的影響，其測試結(jié)果如圖15所示，可以看出，更換樹脂材質(zhì)連接關(guān)節(jié)后，調(diào)控效果得到明顯改善，角反射器陣列整體RCS 有所提高，結(jié)合圖17 的調(diào)控幅度（絕對值）曲線，還可以看出，樹脂連接關(guān)節(jié)的陣列在絕大多數(shù)頻段內(nèi)具有10 dBsm 以上的調(diào)控幅度，在7.6、9、18.9 GHz 附近頻段內(nèi)能夠達(dá)到30 dBsm 及以上，且整體而言，樹脂連接關(guān)節(jié)的角反射器陣列具有普遍的高調(diào)控幅度.因此，此后的研究中可采用樹脂或其他非金屬新型材料作為連接關(guān)節(jié)降低后向散射，以提高新型角反射器陣列的調(diào)控效果.

圖17 不同材質(zhì)連接關(guān)節(jié)的調(diào)控幅度對比Fig.17 Comparison of control amplitude of joint with different materials

3 總 結(jié)

本文提出了一種新型雷達(dá)角反射器陣列設(shè)計方法，可實現(xiàn)超輕質(zhì)化、可展收、對RCS 可大幅調(diào)控的特性.

在輕質(zhì)化設(shè)計方面，本文創(chuàng)新性地使用了金屬絲網(wǎng)替代傳統(tǒng)角反射器的實體反射面，在不大幅增加電磁損耗的情況下極大地減小了質(zhì)量；角反射器骨架采用了輕質(zhì)高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的碳纖維桿，碳纖維桿之間依靠特制的合金關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)連接，既保證了輕量化的設(shè)計，又能夠為角反射器陣列的展開收攏創(chuàng)造條件.經(jīng)過實際測試，本文所提出的12 單元角反射器陣列的整體質(zhì)量低至1.325 kg，非常有利于該角反射器陣列的裝載運(yùn)輸和使用，其應(yīng)用場景包括海上、陸地和空中.此外，輕量化的設(shè)計也為散射特性可調(diào)控的設(shè)計帶來了便利.

得益于對陣列結(jié)構(gòu)巧妙的展開-收攏方案設(shè)計，該角反射器陣列能夠在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制下，實現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)形態(tài)的變換.當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于不同的驅(qū)動控制模式下，該角反射器陣列能夠變換到對應(yīng)展開程度的狀態(tài)，從而形成該狀態(tài)下的散射特性.因此，新型雷達(dá)角反射器陣列實現(xiàn)了傳統(tǒng)角反射器無法實現(xiàn)的可變體積操作，一方面有利于運(yùn)輸和裝載，更重要的是，能夠根據(jù)要求而展現(xiàn)出不同的展開態(tài)，實現(xiàn)目標(biāo)散射特性的調(diào)控.實驗測試表明，RCS 可調(diào)控范圍高達(dá)30 dBsm，且具有較大的調(diào)控范圍.除此之外，該角反射器陣列也能夠用于干擾雷達(dá)探測.當(dāng)陣列進(jìn)行頻繁無規(guī)律的展開收攏操作時，雷達(dá)所探測到的目標(biāo)呈現(xiàn)出無規(guī)律變化的RCS 的情況，從而無法確定目標(biāo)特性.

需要指出的是，本文尚未開展制造誤差等因素對該新型角反射器陣列散射性能的影響分析，但該影響是不可避免的，因此不可忽略不計.后續(xù)將研究制造誤差等因素的影響機(jī)理與分析、評估方法，以更準(zhǔn)確地掌握誤差因素對散射性能的影響規(guī)律，促進(jìn)設(shè)計水平提升.