張 然馮德軍 徐樂濤

(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

基于Salisbury屏的二面角設(shè)計(jì)及其極化特性分析

張 然*馮德軍 徐樂濤

(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

Salisbury屏具有獨(dú)特的電磁散射特性，通過巧妙的設(shè)計(jì)Salisbury屏可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)特征變換的效果。根據(jù)Salisbury屏的散射特性，設(shè)計(jì)了一種新型二面角結(jié)構(gòu)，從理論和仿真角度分析該新型二面角結(jié)構(gòu)的電磁散射特性，分別給出張角為90°與60°的S屏二面角和金屬二面角的雷達(dá)散射截面曲線，求解出多種入射角下的正交二面角結(jié)構(gòu)的極化散射矩陣，進(jìn)一步討論了雷達(dá)工作頻率、目標(biāo)姿態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)Salisbury屏二面角極化特性的影響。理論分析和仿真結(jié)果均表明，與普通金屬二面角相比，Salisbury屏二面角的散射特性差異明顯，在目標(biāo)特征變換、電子對(duì)抗等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

Salisbury屏二面角；金屬二面角；極化散射矩陣；雷達(dá)散射截面

1 引言

先進(jìn)的有源干擾是近幾年來雷達(dá)對(duì)抗的研究熱點(diǎn)之一，通過時(shí)域、相位或運(yùn)動(dòng)調(diào)制，有源干擾能對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)形成壓制或欺騙干擾[1,2]。但另一方面，有源干擾也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、反應(yīng)時(shí)間延遲等固有缺點(diǎn)。相比之下，采用無源材料實(shí)現(xiàn)對(duì)抗有著結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快等顯著優(yōu)點(diǎn)，也一直是雷達(dá)隱身、戰(zhàn)場防護(hù)的有效途徑[3]。Salisbury屏(簡稱：S屏)是一種干涉型雷達(dá)吸波材料，其基本結(jié)構(gòu)是在導(dǎo)體平板前四分之一波長處放置一塊具有特定阻值的阻抗層來減縮電磁波垂直入射情況下平板的后向散射[4]；自提出S屏的概念后，對(duì)單層和多層S屏的反射特性及性能優(yōu)化方法的研究成為熱點(diǎn)[5,6]；此后，文獻(xiàn)[7]首次給出S屏雷達(dá)散射截面近似的物理光學(xué)解釋，并分析了不同尺寸S屏的后向散射性能；為擴(kuò)展S屏的吸波頻寬和角度穩(wěn)定性，國內(nèi)外學(xué)者分別提出基于高阻抗表面的多頻帶Salisbury屏設(shè)計(jì)方法[8]以及基于頻率選擇表面的S屏吸波體[9]，并從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。現(xiàn)有研究表明，S屏能顯著減小目標(biāo)的后射散射，因而在雷達(dá)隱身、電子對(duì)抗等方面具備較好的應(yīng)用價(jià)值。

二面角是雷達(dá)目標(biāo)中的強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)，常用于構(gòu)成假目標(biāo)對(duì)雷達(dá)實(shí)施誘騙，新型二面角反射器的設(shè)計(jì)和分析成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于超材料吸波體的新型二面角反射器，這種角反射器可有效對(duì)抗X波段變頻雷達(dá)對(duì)角反射器假目標(biāo)的探測與識(shí)別；文獻(xiàn)[11]將雷達(dá)吸波材料涂覆于金屬二面角表面，實(shí)現(xiàn)減縮金屬二面角反射器的后向RCS至期望水平。此外，旋轉(zhuǎn)型角反射器的設(shè)計(jì)方法也層出不窮[12,13]，在尺寸固定的情況下有效改變了二面角反射器的雷達(dá)散射截面；值得一提的是，作為定標(biāo)體，二面角的極化散射特性也被廣泛研究，其極化散射矩陣經(jīng)常被用來進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。有文章提出了基于Krogager的目標(biāo)分解方法[14]，將各距離分辨單元的極化散射矩陣分解為球形、二面角和螺旋體的散射矩陣，并提取出反應(yīng)目標(biāo)散射中心和物理結(jié)構(gòu)的特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。

作為眾多雷達(dá)目標(biāo)中的典型二次散射結(jié)構(gòu)，二面角的雷達(dá)散射特征對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)的探測和識(shí)別具有重要的意義。目標(biāo)特性是特征提取和目標(biāo)識(shí)別的基礎(chǔ)，如果目標(biāo)本身的特性發(fā)生改變，將使其具備天然的反識(shí)別能力。利用S屏雷達(dá)目標(biāo)特征變換的性能，本文設(shè)計(jì)了一種基于S屏的二面角結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了理論分析，并應(yīng)用FEKO仿真分析了該新型二面角結(jié)構(gòu)的電磁散射特性，給出其極化散射矩陣。在此基礎(chǔ)上，分析了雷達(dá)工作頻率和目標(biāo)姿態(tài)對(duì)其極化散射特性的影響。

2 基于Salisbury屏的新型二面角結(jié)構(gòu)

典型的S屏通過在導(dǎo)體平板前放置一塊具有特定阻值的阻抗層來消除電磁波垂直入射情況下平板的后向散射，其基本原理是利用進(jìn)入RAM并經(jīng)目標(biāo)表面反射的回波和直接由RAM表面反射的反射波相互干涉而抵消[15]，使得在特定頻率處的反射回波大幅衰減。當(dāng)導(dǎo)體背板和阻抗層之間的距離為0.25λ，即阻抗層阻值與空氣中自由波阻抗相等時(shí)，S屏在該波長所對(duì)應(yīng)的頻率處反射回波衰減性能最好。同時(shí)，研究表明S屏具有雷達(dá)目標(biāo)特征變換的效果。

本文利用S屏所設(shè)計(jì)的新型的二面角結(jié)構(gòu)可以改變矩形金屬二面角結(jié)構(gòu)的RCS特性和極化特性。類似于金屬二面角，基于S屏的矩形二面角結(jié)構(gòu)(簡稱S屏二面角)由兩個(gè)正方形面組成，不同的是將金屬二面角的兩個(gè)金屬面替換為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的S屏，圖1為S屏二面角示意圖，其中S0為二面角兩個(gè)S屏的邊長，預(yù)定張角為2γ,φ和θ為電磁波入射角度。該新型二面角可以等效成兩個(gè)S屏按照預(yù)定角度組合而成的一種雙層結(jié)構(gòu)，第1層是阻抗層，第2層為金屬背板，且阻抗層和導(dǎo)體背板由厚度為d的各向同性低損耗介質(zhì)或空氣分開。

圖1 S屏二面角結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Diagram of a Salisbury screen dihedral

與金屬二面角反射器相似，S屏二面角所能支持的反射次數(shù)取決于預(yù)定張角2γ。當(dāng)2γ≥ 90°時(shí)，僅1次和2次反射回波對(duì)散射場有貢獻(xiàn)；當(dāng)60° ≤ 2γ≤ 90°時(shí)，決定散射場特性的因素的則包含1次、2次和3次反射回波，隨著夾角2γ的減小，必須考慮更多次反射[16]。本文僅考慮到3次反射，即60° ≤ 2γ≤ 90°情況，故本文以90°和60°的二面角為例進(jìn)行分析。

3 S屏二面角后向RCS分析

下面對(duì)正交S屏二面角結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，考慮兩種電磁波入射情況：①電磁波垂直于其中一面入射(θ=0°,φ=45°)；②電磁波與其中一面的夾角為45°(θ=0°,φ=0°)。如圖2所示為兩種電磁波入射情況示意圖。

(1) 電磁波垂直于其中一面入射(θ=0°,φ=45°)

當(dāng)電磁波垂直入射到S屏二面角結(jié)構(gòu)的其中一面時(shí)，不會(huì)發(fā)生2次反射，入射電磁波接觸到S屏二面角會(huì)產(chǎn)生兩束反射回波，即回波①和②，此時(shí)表現(xiàn)為S屏的特性，兩束回波可以相互抵消，如果入射電磁波頻率為f0，對(duì)應(yīng)波長為λ0,d=0.25λ0，那么由S屏的特性可知，散射回波的能量幾乎為零，可以預(yù)測，這種情況下S屏二面角將表現(xiàn)出很低的后向RCS。

圖2 電磁波入射到S屏二面角示意圖Fig. 2 Diagram of electromagnetic wave is incident on Salisbury screen dihedral

(2) 電磁波與其中一面的夾角為45°(θ=0°,φ=0°)

當(dāng)入射電磁波與二面角的其中一面呈45°夾角時(shí)，會(huì)發(fā)生2次反射，即入射到其中一面的電磁波經(jīng)過第1次反射后入射到另外一面產(chǎn)生2次反射，分析可知這種情況下會(huì)產(chǎn)生4束回波，分別為回波①、②、③、④，且波束①和③、波束②和④之間分別都存在2d/cos(45°)的波程差，且波束之間仍彼此存在著其他不同的波程差，導(dǎo)致回波之間存在復(fù)雜的干涉現(xiàn)象，致使S屏二面角的后向散射和極化散射特性會(huì)與金屬二面角有所不同。

4 S屏二面角結(jié)構(gòu)的電磁散射特性分析

考慮到S屏可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)特征變換，可以預(yù)見，基于S屏的新型二面角結(jié)構(gòu)能夠有效地改變金屬二面角的后向散射和極化散射特性。為研究該新型二面角結(jié)構(gòu)的電磁散射特性，利用FEKO軟件對(duì)其進(jìn)行建模和仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)其后向散射特性和極化散射特性進(jìn)行分析。FEKO是針對(duì)電磁輻射、散射、EMC等確定性問題而開發(fā)的專業(yè)電磁場分析軟件，從嚴(yán)格的電磁場積分方程出發(fā)，以經(jīng)典矩量法為基礎(chǔ)，采用多層快速多級(jí)子算法，并與高頻分析方法完美結(jié)合，在保持精度的前提下提高計(jì)算效率，是目前國內(nèi)外比較先進(jìn)可靠的電磁場分析軟件。

仿真參數(shù)設(shè)置如下，基于S屏的二面角結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，第1層為阻抗層，設(shè)置為Impedance邊界，其中電阻值377 Ω/m2，電抗值0 Ω/m2；第2層為導(dǎo)體背板，設(shè)置為PEC邊界，對(duì)于入射的平面電磁波，PEC邊界相當(dāng)于“一面墻”，電磁波遇到PEC邊界后會(huì)直接反射；入射波是頻率f0=10 GHz (λ0=3 cm)的線極化平面電磁波，入射角度-45°≤φ≤45°,θ=0°；低損耗介質(zhì)成份設(shè)置為“空”(εr=1,tanδ=0),d=0.25λ0=0.75 cm,S0=5λ0=15 cm，其中θ,φ,d和S0的含義如圖1所示，且分別設(shè)置S屏二面角結(jié)構(gòu)的張角為90°和60°進(jìn)行仿真分析。

4.1 后向散射特性分析

假設(shè)電磁波入射角度為φ0，電磁波會(huì)在二面角的兩個(gè)面之間發(fā)生多次反射，且存在多組相位差為的回波，由電磁波理論知相位差為π時(shí)，兩束回波可以完全干涉抵消，故若cos(45°-|φ0|)→1即|φ0|→45°時(shí)，S屏二面角會(huì)表現(xiàn)出十分低的雷達(dá)散射截面，然而經(jīng)S屏二面角散射后的回波之間仍會(huì)存在其他相位差和復(fù)雜的耦合效應(yīng)，因此其最低RCS會(huì)出現(xiàn)在45°附近的某個(gè)入射角度下。圖3(a)、圖3(b)分別給出90°和60°的S屏二面角與金屬二面角的后向RCS對(duì)比曲線。

對(duì)比圖2中的兩組RCS曲線，可以得到兩點(diǎn)分析結(jié)果：

首先，基于S屏的二面角改變了金屬二面角的RCS特性。相比于金屬二面角，張角為90°和60°的S屏二面角后向RCS峰值點(diǎn)發(fā)生了變化，峰值點(diǎn)分別從0°偏移到了±25°和±12°左右，且RCS峰值全部低于金屬二面角的RCS峰值。正交S屏二面角的RCS特性整體變化較大，而60°S屏二面角的后向RCS除峰值點(diǎn)發(fā)生偏移和擴(kuò)展外，總體趨勢(shì)與金屬二面角相近。

其次，與金屬二面角相比，S屏二面角在改變金屬二面角后向散射特性的同時(shí)，全面減縮二面角結(jié)構(gòu)的后向RCS值。表1為電磁波不同入射角度下S屏二面角相比金屬二面角的后向RCS減縮值。

依據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知正交S屏二面角相比正交金屬二面角在5個(gè)角度下的RCS平均減縮值為13.2 dBm2, 60°情況下的RCS平均減縮值為8.9 dBm2，兩種S屏二面角均較好地實(shí)現(xiàn)了二面角結(jié)構(gòu)的后向RCS減縮，且正交S屏二面角的后向RCS減縮效果更優(yōu)。

圖3 S屏二面角和金屬二面角的后向RCS曲線Fig. 3 Backscattering curve of a Salisbury screen dihedral and a metal dihedral

表1 不同入射角度下S屏二面角相比金屬二面角的后向RCS減縮值Tab. 1 The reduced value of Salisbury screen dihedral backscattering compared with metal dihedral at different incident angles

此外，從表1也可以看出兩種S屏二面角都在入射角度|φ|=45°時(shí)的RCS減縮效果十分明顯，這是因?yàn)楫?dāng)|φ|=45°時(shí)，可以等效成電磁波只入射到二面角的其中一面，此時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生二次反射，呈現(xiàn)出S屏的特性，故后向RCS減縮效果明顯，仿真結(jié)果和理論分析相吻合。

4.2 極化散射特性分析

由前文可以看到，雷達(dá)散射截面只表征雷達(dá)目標(biāo)散射的幅度特性，缺乏對(duì)諸如極化和相位等目標(biāo)特性的表征。而極化散射矩陣可完整描述目標(biāo)在特定姿態(tài)、入射頻率下的包括極化、相位以及能量特性在內(nèi)的全部雷達(dá)目標(biāo)電磁散射信息。極化散射矩陣S也將散射場與入射場聯(lián)系起來[17]，表示為大部分情況下，到達(dá)目標(biāo)處的入射波以及到達(dá)接收源處的散射波都可以視為平面波，因此S為2階矩陣[17]：

極化散射矩陣S一般為復(fù)數(shù)形式，矩陣元素可以表示為為幅度值，φij代表相位值，且i=1, 2,j=1, 2。為便于求解極化散射矩陣，拉克(Ruck)[17]給出了散射矩陣元素和雷達(dá)散射截面之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：此外，由電磁波理論可以推導(dǎo)出極化散射矩陣4個(gè)極化通道幅度值與散射電磁、入射電場的關(guān)系為：

S屏二面角可以改變金屬二面角結(jié)構(gòu)的極化特性，下面以張角為90°的兩種二面角結(jié)構(gòu)為例，求解不同電磁波入射角度下的極化散射矩陣，并分析S屏二面角結(jié)構(gòu)的極化散射特性。

(1) 入射角φ=0°時(shí)，金屬二面角和S屏二面角極化散射矩陣分別如下：

(2) 入射角φ=25°時(shí)，金屬二面角和S屏二面角極化散射矩陣分別如下：

(3) 入射角φ=45°，金屬二面角和S屏二面角極化散射矩陣分別如下：

其中S-dihedral和SS-dihedral分別代表金屬二面角和S屏二面角的極化散射矩陣，對(duì)比這3組極化散射矩陣可以發(fā)現(xiàn)，兩種二面角結(jié)構(gòu)的主極化通道幅度值差別十分明顯。相對(duì)于金屬二面角，在以上3個(gè)入射角度下，S屏二面角HH通道和VV通道的能量平均下降18.5 dBm2和24.4 dBm2。而在交叉極化通道，兩種二面角結(jié)構(gòu)的幅度值均基本穩(wěn)定在0.0000附近，變化不明顯。下面重點(diǎn)分析兩種二面角結(jié)構(gòu)散射矩陣主極化通道幅度隨電磁波入射角度的變化關(guān)系。圖4繪制了兩種二面角結(jié)構(gòu)散射矩陣主極化通道幅度值隨電磁波入射角的變化關(guān)系曲線。

從圖4能夠看出，隨著電磁波入射角度|φ|的變化，金屬二面角散射矩陣兩個(gè)主極化通道幅度值呈等比例變化，且變化趨勢(shì)與其同條件下的后向RCS趨勢(shì)一致，即0°≤|φ|≤45°時(shí)，兩個(gè)主極化通道幅值先下降之后上升，在|φ|=39°時(shí)同時(shí)達(dá)到最低，分別為HH通道-17.3 dBm2和VV通道-15.8 dBm2。S屏二面角散射矩陣的HH通道幅度值始終強(qiáng)于VV通道幅度值，當(dāng)0°≤|φ|≤45°時(shí)，隨著|φ|的增大，HH通道幅度值先下降后上升，在|φ|=25°時(shí)達(dá)到最大-15.9 dBm2，相比之下，VV通道幅度值則波動(dòng)式下降，波動(dòng)周期大約為5°，由此可見電磁波入射角度是影響S屏二面角極化散射特性的重要因素之一。在相同的電磁波入射角度下，S屏二面角有效地改變了金屬二面角的極化散射特性，兩種二面角結(jié)構(gòu)極化散射特性相差如此明顯正是由于S屏二面角的雙層結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的，這實(shí)質(zhì)上是S屏對(duì)金屬平板結(jié)構(gòu)雷達(dá)目標(biāo)特征變換的原因。從以上分析可以看出，倘若用S屏二面角對(duì)雷達(dá)實(shí)施欺騙干擾，能夠起到良好的掩護(hù)和偽裝效果，且S屏二面角制作工藝簡單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

5 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)S屏二面角結(jié)構(gòu)極化特性的影響分析

由電磁散射理論可知，極化散射矩陣能夠完整地表征目標(biāo)對(duì)電磁波的散射特性，且極化散射矩陣隨雷達(dá)工作頻率與目標(biāo)姿態(tài)而變化[18]，雷達(dá)工作頻率和目標(biāo)姿態(tài)是影響雷達(dá)目標(biāo)極化特性的關(guān)鍵因素，下面具體分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)新型二面角結(jié)構(gòu)的極化特性的影響。

5.1 雷達(dá)工作頻率對(duì)S屏二面角極化特性影響分析

下面從雷達(dá)目標(biāo)極化散射矩陣的角度，以正交金屬二面角和正交S屏二面角為例，依據(jù)仿真結(jié)果具體分析頻率對(duì)S屏二面角極化特性影響。設(shè)置入射波是頻率f(5～15 GHz)的線極化平面電磁波，入射角度φ=0°,θ=0°，距離d=0.75 cm,S0= 5λ0= 15 cm，二面角張角2γ=90°，其中φ,θ,λ,d和S0的含義如圖1所示，其余參數(shù)設(shè)置同第4節(jié)。分別在入射電磁波頻率為7 GHz和13 GHz下求得S屏二面角的極化散射矩陣如下，其中SS-7GHz和SS-13GHz代表入射頻率為7 GHz和13 GHz下求解的極化散射矩陣。

圖4 金屬二面角和S屏二面角極化散射矩陣主極化通道幅值Fig. 4 The main polarization channel magnitude of a metal dihedral and a Salisbury screen dihedral

分析這兩組極化散射矩陣，并與4.2小節(jié)中入射電磁波頻率為10 GHz,φ=0°時(shí)的散射矩陣對(duì)比，可以得到以下幾點(diǎn)分析結(jié)果：(1)交叉極化通道分量的幅度值基本不隨入射電磁波頻率變化，相對(duì)穩(wěn)定。(2)主極化通道分量幅度值隨入射電磁波頻率的變化比較明顯。圖5給出S屏二面角散射矩陣兩個(gè)主極化通道幅度和相位頻變特性曲線，從圖5(a)可以看出，在大部分的入射頻率處，散射矩陣HH通道幅值都高于VV通道幅值，且隨著入射頻率的增大，兩者均呈下降趨勢(shì)，HH通道幅度值平穩(wěn)緩慢下降，VV通道幅度值呈振蕩式下降，且下降速度更快，可見對(duì)于S屏二面角反射器的應(yīng)用應(yīng)在特定的頻率范圍之內(nèi)。圖5(b)顯示散射矩陣VV通道相位比HH通道相位對(duì)隨頻率的變化更加敏感，HH通道相位除在頻率1.05 GHz處出現(xiàn)一次翻轉(zhuǎn)外，總體處于下降狀態(tài)，VV通道相位在頻率低于0.8 GHz時(shí)基本保持平穩(wěn)，但頻率高于0.8 GHz后開始振蕩式變化，振蕩周期逐漸增大，相位絕對(duì)值逐漸減小。

綜上分析，在電磁波入射角度一定的情況下，S屏二面角的極化特性隨頻率變化較大，并非像金屬二面角一樣極化散射矩陣穩(wěn)定在總體來講，S屏二面角結(jié)構(gòu)極化特性易受雷達(dá)工作頻率的影響，該結(jié)構(gòu)的極化特性不具頻率穩(wěn)定性。

5.2 目標(biāo)姿態(tài)對(duì)S屏二面角極化特性影響分析

S屏二面角的空域極化特性主要表現(xiàn)在自身姿態(tài)對(duì)其極化特性的影響，下面以正交二面角為例，分析在特定入射頻率和角度下，分析S屏二面角姿態(tài)對(duì)其極化散射特性的影響。不失一般性，S屏二面角的姿態(tài)角定義為二面角的折線分別在yoz和xoz平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度(ω0和p0)，如圖6所示。設(shè)定入射波頻率f=10 GHz，目標(biāo)姿態(tài)角ω0=45°,p0=0°，電磁波入射角度-45°≤φ≤45°，其余參數(shù)設(shè)置與4.1小節(jié)相同。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，求得電磁波入射角分別為φ=0°和φ=25°極化散射矩陣如下，其中SS-0°和SS-25°分別代表入射角度為0°和25°下求解的極化散射矩陣。

圖5 S屏二面角極化散射矩陣主極化通道頻變特性曲線Fig. 5 Main polarization channel frequency-dependent characteristic curve of Salisbury screen dihedral

圖6 二面角結(jié)構(gòu)目標(biāo)姿態(tài)角定義Fig. 6 The definition for target pose angle of the dihedral structure

將這兩組S屏二面角的極化散射矩陣與4.2小節(jié)目標(biāo)姿態(tài)角ω0=0°，電磁波入射角分別為0°和25°時(shí)的散射矩陣對(duì)比，能夠看出S屏二面角的姿態(tài)對(duì)其極化散射矩陣影響較大，完全改變了金屬二面角的極化散射特性。對(duì)比兩種不同姿態(tài)下S屏二面角的極化散射矩陣，可以發(fā)現(xiàn)，由于目標(biāo)姿態(tài)角的改變導(dǎo)致其極化散射矩陣中交叉極化分量的幅值大幅提高，主極化分量幅值則有所下降。當(dāng)姿態(tài)角ω0=0°時(shí)，任何入射角度下，主極化通道幅值全部高于交叉極化通道幅值，而在ω0=45°時(shí)，兩類極化通道(主極化和交叉極化)的相對(duì)幅值大小則取決于電磁波的入射角度，不能一概而論。由文獻(xiàn)[17]可知，當(dāng)金屬二面角反射器的姿態(tài)角ω0=45°時(shí)，理論上其散射矩陣的兩個(gè)交叉極化通道幅值為1，兩個(gè)主極化通道幅值則為0，這種情況下，可以通過極化濾波的方式消除二面角反射器干擾和誘騙，相比之下S屏二面角在4個(gè)通道都會(huì)有能量穿過，同時(shí)也提高了二面角結(jié)構(gòu)抗極化識(shí)別的能力。

6 小結(jié)

二面角結(jié)構(gòu)是雷達(dá)目標(biāo)中常見的結(jié)構(gòu)，由于其目標(biāo)特征比較明顯，經(jīng)常被雷達(dá)用來探測和分類識(shí)別目標(biāo)，如果其散射特性發(fā)生改變，將具備天然的電子對(duì)抗能力。新材料的出現(xiàn)為新型二面角設(shè)計(jì)提供了可能，本文根據(jù)S屏獨(dú)特的電磁散射特性，設(shè)計(jì)了一種新型的S屏二面角，從理論和仿真兩個(gè)角度分析了其后向散射特性和極化特性。研究結(jié)果表明，基于Salisbury屏的二面角在改變普通金屬二面角的極化特性方面效果顯著，達(dá)到了目標(biāo)特征變換的目的?？梢灶A(yù)見，擁有Salisbury屏二面角結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，在特定的照射頻率附近和適合的姿態(tài)角下或具備天然抗識(shí)別能力，并兼具隱身的作用，這種新型結(jié)構(gòu)在無源電子對(duì)抗中具備較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

[1]Xu Le-tao, Feng De-jun, and Wang Xue-song. Improved synthetic aperture radar micro-Doppler jamming method based on phase-switched screen[J].IET Radar,Sonar&Navigation, 2016, 10(3): 525-534.

[2]吳曉芳, 代大海, 王雪松, 等. 基于微動(dòng)調(diào)制的SAR新型有源干擾方法[J]. 電子學(xué)報(bào), 2010, 38(4): 954-959. Wu Xiao-fang, Dai Da-hai, Wang Xue-song,et al.. A novel method of active jamming for SAR based on micro motion modulation[J].Acta Electronica Sinica, 2010, 38(4): 954-959.

[3]賈菲, 鮑紅權(quán), 徐銘. 吸收型雷達(dá)無源干擾材料研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2015, 38(2): 7-10. Jia Fei, Bao Hong-quan, and Xu Ming. Research development and application of absorptive passive jamming material of radar[J].Shipboard Electronic Countermeasure, 2015, 38(2): 7-10.

[4]Salisbury W W. Absorbent body for electromagnetic waves[P]. US: 259994 A.

[5]Fante R L and Mccormack M T. Reflection properties of the Salisbury screen[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1988, 36(10): 1443-1454.

[6]Chambers B. Optimum design of a Salisbury screen radar absorbers[J].Electronics Letters, 1994, 30(16): 1353-1354.

[7]Haupt R L. Scattering from small Salisbury screens[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2006, 54(6): 1807-1810.

[8]黨可征, 時(shí)家明, 李志剛, 等. 基于高阻抗表面的多頻帶Salisbury屏設(shè)計(jì)[J]. 物理學(xué)報(bào), 2015, 64(11): 114101(1)-114101(6). Dang Ke-zheng, Shi Jia-ming, Li Zhi-gang,et al.. Design of multiband Salisbury screen based on high impedance surfaces[J].Acta Physica Sinica, 2015, 64(11): 114101(1)-114101(6).

[9]Seman F C, Cahill R, Fusco1 V F,et al.. Design of a Salisbury screen absorber using frequency selective surfaces to improve bandwidth and angular stability performance[J].IET Microwaves,Antennas&Propagation, 2011, 5(2): 149-156.

[10]祝寄徐, 裴志斌, 屈紹波, 等. 一種加載超材料吸波體的新型二面角反射器的設(shè)計(jì)[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 14(6): 85-88.Zhu Ji-xu, Pei Zhi-bin, Qu Shao-bo,et al.. A design of a new dihedral corner reflector loaded with meta-material absorbing layer[J].Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition), 2013, 14(6): 85-88.

[11]史慶藩, 閆學(xué)群. 材料涂覆非正交金屬二面角反射器的后向散射[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 22(6): 668-671. Shi Qing-fan and Yan Xue-qun. Backscattering from nonorthogonal dihedral corner reflectors coated by radar absorbing materials[J].Journal of Beijing Institute of Technology, 2002, 22(6): 668-671.

[12]祝寄徐, 裴志斌, 屈紹波, 等. 一種旋轉(zhuǎn)型的角反射器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2013, 36(11): 1-4. Zhu Ji-xu, Pei Zhi-bin, Qu Shao-bo,et al.. Design of rotarytype corner reflector[J].Modern Electronics Technique, 2013, 36(11): 1-4.

[13]李有才, 鄭春弟, 黃強(qiáng). 旋轉(zhuǎn)式RCS可變角反射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可行性研究[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2011, 34(3): 106-109. Li You-cai, Zheng Chun-di, and Huang Qiang. Structural design and feasibility study of rotary corner with variable RCS[J].Shipboard Electronic Countermeasure, 2011, 34(3): 106-109.

[14]李瑩, 任勇, 山秀明. 基于目標(biāo)分解的極化雷達(dá)飛機(jī)識(shí)別法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001, 41(7): 32-35. Li Ying, Ren Yong, and Shan Xiu-ming. Target decomposition-based polarimetric radar aircraft recognition method[J].Journal of Tsinghua University(Science&Technology), 2001, 41(7): 32-35.

[15]熊勇. 基于相位調(diào)制表面的雷達(dá)吸波材料的電磁特性研究[D]. [碩士論文], 南京航空航天大學(xué), 2008: 6-7. Xiong Yong. Study on the EM characteristics of radar absorbing structure based on phase modulated surface[D]. [Master dissertation], Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008: 6-7.

[16]郭輝萍, 劉學(xué)觀, 殷紅成, 等. 各向異性材料涂覆金屬二面角反射器的RCS分析[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2003, 25(9): 1255-1260. Guo Hui-ping, Liu Xue-guan, Yin Hong-cheng,et al.. RCS analysis of anisotropic coating dihedral corner reflectors[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2003, 25(9): 1255-1260.

[17]黃培康, 殷紅成, 許小劍. 雷達(dá)目標(biāo)特性[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010: 174-185. Huang Peikang, Yin Hongcheng, and Xu Xiaojian. Radar Target Characteristic[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2010: 174-185.

[18]莊釗文, 肖順平, 王雪松. 雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1999: 1-28. Zhuang Zhaowen, Xiao Shunping, and Wang Xuesong. Radar Polarization Information Processing and Application[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1999: 1-28.

[19]黃培康. 雷達(dá)目標(biāo)特征信號(hào)[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2009: 42-45. Huang Peikang. Radar Target Signature Signal[M]. Beijing: China Astronautic Publishing House, 2009: 42-45.

張 然(1991-)，女，遼寧人，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮有畔⑾到y(tǒng)仿真評(píng)估。

E-mail: fxranzhangn@163.com

馮德軍(1972-)，男，湖南人，博士，國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授，研究領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別、雷達(dá)電子戰(zhàn)建模評(píng)估與仿真。

E-mail: fdj117@163.com

徐樂濤(1987-)，男，山東人，國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)榭臻g信息獲取與處理。

E-mail: xuletaowin@126.com

Design and Polarization Characteristics Analysis of Dihedral Based on Salisbury Screen

Zhang Ran Feng Dejun Xu Letao
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics&Information System,National University of Defense Technology,Changsha410073,China)

Salisbury screens have a number of unique electromagnetic scattering characteristics. When appropriately designed, the Salisbury screen can reach the radar target signature transform. Based on the electromagnetic scattering characteristics of the Salisbury screen, we designed a novel dihedral corner, and theoretically analyzed and simulated its electromagnetic scattering characteristics in this study. The results reveal the monostatic radar cross section curves of the 90°and 60° Salisbury screen dihedral and metal dihedral, respectively. Taking an orthogonal dihedral corner as an example, we obtained the polarization scattering matrixes for different incident degrees. In addition, we investigated the influence of illumination frequency, target gestures, and other key factors on the polarization characteristics of the Salisbury screen dihedral corner. The theoretical and simulation analysis results show that compared with the conventional metal dihedral corner, the Salisbury screen dihedral corner significantly influences the scattering characteristics and will have potential application in electronic warfare.

Salisbury screen dihedral; Metal dihedral; Polarization scattering matrix; Radar cross section

TN95

A

2095-283X(2016)06-0658-08

10.12000/JR16055

張然, 馮德軍, 徐樂濤. 基于Salisbury屏的二面角設(shè)計(jì)及其極化特性分析[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2016, 5(6): 658-665.

10.12000/JR16055.

Reference format:Zhang Ran, Feng Dejun, and Xu Letao. Design and polarization characteristics analysis of dihedral based on Salisbury screen[J].Journal of Radars, 2016, 5(6): 658-665. DOI: 10.12000/JR16055.

2016-03-11；改回日期：2016-06-21；

2016-07-11

*通信作者：張然 fxranzhang@163.com

國家自然科學(xué)基金(61372170, 61490692, 61490693)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61372170, 61490692, 61490693)