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新型多維電磁特性可調(diào)控雷達(dá)角反射器設(shè)計(jì)方法研究

2024-01-19 02:29:48朱泳庚艾夏王偉東李猛猛丁大志
電波科學(xué)學(xué)報(bào) 2023年6期
關(guān)鍵詞:反射器反射系數(shù)二極管

朱泳庚 艾夏 王偉東 李猛猛* 丁大志

(1.南京理工大學(xué), 南京 210094;2.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所, 北京 100048)

0 引 言

雷達(dá)角反射器由于其成本低、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),廣泛用于無(wú)源干擾,其目的在于通過(guò)形成較大的雷達(dá)散射截面積(radar cross section, RCS),從而隱去實(shí)際目標(biāo)、保護(hù)武器裝備[1].但常規(guī)角反射器的RCS 增強(qiáng)效果固定無(wú)法調(diào)整且無(wú)法隨時(shí)間變化,難以產(chǎn)生多維電磁特性干擾.近些年使用超表面調(diào)控電磁波的方法引起了人們的廣泛關(guān)注.如今超表面被廣泛應(yīng)用于波束調(diào)控[2-4]、吸波[5]、聚焦[6-7]、成像[8-9]等方面.另外,通過(guò)在超表面中加載PIN 二極管[10]、變?nèi)荻O管[11]、石墨烯[12]等器件或材料,可以在超表面調(diào)控電磁波的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)的時(shí)間變化;同時(shí)改變每個(gè)時(shí)間狀態(tài)下陣列的狀態(tài),即可實(shí)現(xiàn)電磁相應(yīng)的空域調(diào)控,二者相互支撐實(shí)現(xiàn)電磁波的時(shí)空調(diào)制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效的多普勒頻移[13]、波達(dá)角估計(jì)[14]、保密通信[15]、雷達(dá)成像干擾[16]、自適應(yīng)多普勒方向回溯[17]等功能.

將超表面覆層加載雷達(dá)角反射器,可以實(shí)現(xiàn)分塊設(shè)計(jì)靈活調(diào)控RCS[18]、寬帶寬角入射背景下散射加強(qiáng)[19]等功能,也可以通過(guò)設(shè)計(jì)超表面陣列實(shí)現(xiàn)平面角反射器[20].以上工作僅對(duì)角反射器的散射能量進(jìn)行調(diào)整分析,但電磁特性改變形式固定且無(wú)法與雷達(dá)信號(hào)相互作用產(chǎn)生干擾.本文將時(shí)空調(diào)制超表面與雷達(dá)角反射器相結(jié)合,分別用空間調(diào)制的幅度調(diào)控超表面實(shí)現(xiàn)雷達(dá)角反射器的RCS 可變,用時(shí)間調(diào)制的相位調(diào)控超表面實(shí)現(xiàn)雷達(dá)角反射器的距離像偏移.以正方形三面角反射器為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明本文分析方法可為時(shí)空調(diào)制超表面、雷達(dá)角反射器的應(yīng)用提供更廣闊的應(yīng)用思路和背景支持.

1 可調(diào)控雷達(dá)角反射器設(shè)計(jì)

1.1 幅度調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)

圖1 展示了提出的電磁特性可調(diào)控的正方形三面雷達(dá)角反射器,兩種新型雷達(dá)角反射器通過(guò)電磁超表面覆層調(diào)控散射場(chǎng).其中幅度調(diào)控超表面通過(guò)加載電阻阻值隨偏置電壓變化的PIN 二極管改變反射系數(shù)幅度,并通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化盡可能提高吸波效果以實(shí)現(xiàn)角反射器在更大范圍內(nèi)的RCS 可調(diào);相位調(diào)控超表面通過(guò)加載電容值隨偏壓變化的變?nèi)荻O管改變反射系數(shù)相位,并通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化盡可能提高反射系數(shù)幅度以確保盡可能多的能量被反射,呈現(xiàn)的二維像能量更集中.

圖1 電磁特性可調(diào)控雷達(dá)角反射器示意圖Fig.1 Geometrical sketch of multidimensional electromagnetic characteristic reconfigurable radar corner reflector

設(shè)計(jì)的幅度可調(diào)超表面結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示.該結(jié)構(gòu)由金屬地板、FR-4 介質(zhì)基板(εr=4.3)和表面貼片組成,表面貼片金屬之間加載4 個(gè)PIN 二極管SMP1320,通過(guò)控制二極管的通斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)反射系數(shù)的幅度調(diào)控.PIN 管導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下的等效電路如圖2(b)所示,對(duì)應(yīng)的等效電路參數(shù)見(jiàn)表1.不同線極化入射波條件下的反射系數(shù)幅度由圖2(c)給出.由于該結(jié)構(gòu)具有一定對(duì)稱(chēng)性,故對(duì)不同線極化入射波都具有相同的調(diào)控效果.可以看出,在8.5 GHz 左右,該單元兩種狀態(tài)的反射系數(shù)幅度具有40 dB 左右的縮減.同時(shí)考慮加載的PIN 二極管截止、導(dǎo)通時(shí)等效電路參數(shù)可能和設(shè)計(jì)過(guò)程帶入的參數(shù)存在差異,于是以x線極化為例,分別在導(dǎo)通狀態(tài)下改變串聯(lián)電阻RS、截止?fàn)顟B(tài)下改變封裝電容CS以確定誤差對(duì)結(jié)構(gòu)吸波、反射狀態(tài)的影響,得到圖2(d)中所示的結(jié)果,可以看出,誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的性能影響很小.

表1 PIN 二極管截止和導(dǎo)通狀態(tài)下等效電路參數(shù)Tab.1 Equivalent circuit parameter of PIN diode with OFF and ON state

圖2 幅度調(diào)控超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖與仿真結(jié)果Fig.2 Geometrical sketch and simulation results of amplitude-reconfigurable metasurface unit cell

1.2 相位調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的相位調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示,工作在9 GHz 的超表面單元由表面金屬貼片、厚度為0.2 mm 的聚酰亞胺層(εr1=3.5)、厚度為1 mm 的柔性介質(zhì)基板層(εr2=2.3)及金屬地板組成.在金屬貼片之間加載變?nèi)荻O管MAVR-000120-1 411 實(shí)現(xiàn)相位可重構(gòu).為將變?nèi)荻O管偏壓大小與離散相位調(diào)控狀態(tài)相對(duì)應(yīng),對(duì)變?nèi)荻O管的等效電路進(jìn)行分析.

圖3 相位調(diào)控超表面單元結(jié)構(gòu)示意圖與仿真結(jié)果Fig.3 Geometrical sketch and simulation results of phasereconfigurable metasurface unit cell

該變?nèi)荻O管的等效電路如圖3(b)所示,其中CP為封裝電容,RS為串聯(lián)電阻,LS為串聯(lián)電感,CJ為結(jié)電容.結(jié)電容CJ和偏置電壓VR之間的函數(shù)關(guān)系可以表示為

式中:CJO為零偏置結(jié)電容;VJ為結(jié)電位;M為能級(jí)系數(shù).以上這些參數(shù)均可從芯片手冊(cè)中得到,進(jìn)而可以根據(jù)圖3(b)的電路連接方式,得到變?nèi)荻O管的阻抗為

將式(2)帶入全波仿真中進(jìn)行計(jì)算,得到一種3 比特相位調(diào)控超表面單元,不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)的偏置電壓值如表2 所示,8 個(gè)狀態(tài)的反射系數(shù)幅度、相位如圖3(c)、(d)所示.可知該單元的任一工作狀態(tài)都有高于0.8 的反射系數(shù)幅度,且相鄰狀態(tài)的相位差在45°左右.

表2 選定的變?nèi)荻O管不同狀態(tài)下的偏置電壓Tab.2 Bias voltage of the varactor diode of chosen state

2 時(shí)空調(diào)制雷達(dá)角反射器電磁特性

以正方形三面角反為例,對(duì)加載幅度調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)覆層的雷達(dá)角反射器進(jìn)行空間調(diào)制,實(shí)現(xiàn)其RCS 可調(diào);對(duì)加載相位調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)覆層的雷達(dá)角反射器進(jìn)行時(shí)間調(diào)制,實(shí)現(xiàn)二維像偏移.

2.1 空間調(diào)制實(shí)現(xiàn)RCS 可調(diào)

對(duì)圖1 所示邊長(zhǎng)a=0.6 m 的三面正方形雷達(dá)角反射器進(jìn)行電磁特性分析.RCS 的表達(dá)式為

式中:R為雷達(dá)接收距離;Sr與Er為散射能流與散射電場(chǎng);Si與Ei為發(fā)射能流與發(fā)射電場(chǎng).若將目標(biāo)RCS 與理想電導(dǎo)體(perfect electric conductor, PEC)進(jìn)行歸一化比較,即可得到

式中,S11為散射體的反射系數(shù).由式(4)可知,改變散射體的反射系數(shù)即可改變其相對(duì)于PEC 的RCS 值.由于圖2(c)中得到幅度調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)在8.5 GHz 下具有很好的反射系數(shù)幅度調(diào)控效果,故使用Feko 的RL-GO 方法在8.5 GHz 頻率處進(jìn)行仿真.仿真的過(guò)程中,角反射器中處于反射/吸收的陣列面積影響整體的RCS,所以分別將角反射器中全部、1/2、1/4 的面積置于反射狀態(tài),對(duì)應(yīng)其他的設(shè)置為吸收狀態(tài),同時(shí)與PEC 材料角反射器進(jìn)行比較,在方位角φ=0°,45°,60°下觀測(cè)上述角反射器的單站RCS值,得到圖4 所示的RCS 變化結(jié)果.其中PEC 代表PEC 材料角反射器的單站RCS 結(jié)果;“ALL OFF”代表角反射器中全部面積的陣列處于反射狀態(tài),此時(shí)RCS 最大;“1/2 OFF”代表角反射器中一半面積的陣列處于反射狀態(tài),一半面積的陣列處于吸波狀態(tài);“1/4 OFF”代表角反射器中四分之一面積的陣列處于反射狀態(tài);“ALL ON”代表角反射器中全部面積的陣列處于吸波狀態(tài),此時(shí)RCS 最小.可以看出,在任一方位角觀測(cè)時(shí),加載全反射狀態(tài)超表面覆層的角反射器與PEC 材料角反射器的RCS 吻合良好.需要指出的是,雷達(dá)角反射器的RCS 增強(qiáng)效果與雷達(dá)入射頻率、角度以及自身形狀息息相關(guān),故通過(guò)單元反射系數(shù)大小定量計(jì)算空間調(diào)制雷達(dá)角反射器的RCS 是比較困難的,但是可以通過(guò)陣列全反射、全吸波兩種狀態(tài)確定角反射器RCS 的可調(diào)控范圍.在圖4(a)的情況中,邊長(zhǎng)a=0.6 m的三面正方形角反射器在雷達(dá)入射方向φ=0°時(shí)可以在θ=45°附近產(chǎn)生30 dBsm 左右的RCS 可調(diào)效果,并且該陣列每1/4 結(jié)構(gòu)狀態(tài)從反射變成吸波時(shí),RCS 會(huì)降低10 dBsm.同樣地,當(dāng)雷達(dá)入射方位角φ=45°或者φ=60°時(shí),仍可在θ=45°附近產(chǎn)生30 dBsm 左右的RCS 可調(diào)效果.該結(jié)果證明了提出的空間調(diào)制改變雷達(dá)角反射器RCS 電磁特性方法的可行性.

圖4 不同入射方位角下PEC 與空間調(diào)制雷達(dá)角反射器單站RCS 結(jié)果Fig.4 Monostatic RCS of PEC and space-modulated radar corner reflector at different ineident azimuth angles

2.2 時(shí)間調(diào)制實(shí)現(xiàn)距離像偏移

相應(yīng)地,若將相位調(diào)制超表面覆層加載雷達(dá)角反射器,在線性調(diào)頻信號(hào)入射的背景下即可產(chǎn)生距離像偏移.以二維像為例,由于超表面調(diào)制本質(zhì)上作用在散射體的反射系數(shù)上,則可將其散射回波寫(xiě)作

式中:Sr(t)為雷達(dá)接收信號(hào);Si(t)為雷達(dá)發(fā)射信號(hào);Γ(t)為超表面調(diào)制產(chǎn)生的時(shí)變反射系數(shù).線性調(diào)頻雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)Si(t)可以寫(xiě)作

式中:tf為快時(shí)間;ts為慢時(shí)間;Tp為脈沖寬度;f0為載頻;Kr為調(diào)制斜率,且滿足關(guān)系Kr=B/Tp,其中B為信號(hào)帶寬.當(dāng)僅考慮和雷達(dá)距離為Ri的PEC 理想點(diǎn)模型時(shí),回波表達(dá)式可以寫(xiě)作:

式中:c為真空中光速;σreal為真實(shí)目標(biāo)的RCS 大小.在對(duì)視頻相位項(xiàng)進(jìn)行去噪和補(bǔ)償后,分別在距離向和方位向?qū)夭ㄟM(jìn)行脈沖壓縮,得到的成像結(jié)果可以寫(xiě)作

式中:Rr與Ra分別為距離向和方位向的距離;Ts為成像過(guò)程中的積累時(shí)間;Rref為參考距離; ω為掃角角速度;fd為時(shí)間調(diào)制實(shí)現(xiàn)的多普勒頻移量.考慮快時(shí)間的脈內(nèi)調(diào)制時(shí),由于線性調(diào)頻信號(hào)的頻率隨時(shí)間不斷變化,散射體回波的頻率偏移會(huì)在信號(hào)處理端產(chǎn)生一定的延時(shí)效果,延時(shí)量 Δt可以表示為

延時(shí)量對(duì)應(yīng)著距離偏移,距離偏移量 Δx即可寫(xiě)作

文獻(xiàn)[14]中說(shuō)明了相位調(diào)控超表面時(shí)間調(diào)制產(chǎn)生多普勒頻移的方法,且產(chǎn)生的正多普勒頻移、負(fù)多普勒頻移時(shí)序狀態(tài)如圖5(a)、(b)所示,對(duì)應(yīng)的頻譜如圖5(c)、(d)所示.

圖5 相位調(diào)控超表面時(shí)間調(diào)制產(chǎn)生多普勒頻移示意圖Fig.5 Geometrical sketch of Doppler frequency shift realized which time-modulated phase reconfigurable metasurface

對(duì)上述多普勒頻移產(chǎn)生距離像偏移的現(xiàn)象進(jìn)行仿真,選取掃頻范圍9 GHz±40 MHz,固定方位角掃描俯仰角,掃描范圍為 0° ~ 5°,間隔0.25°.為便于仿真驗(yàn)證,設(shè)定多普勒頻移量fd與脈沖重復(fù)頻率1/Tp相等,距離像偏移量可以表示為

仍然使用a=0.6 m的正方形三面角反射器進(jìn)行驗(yàn)證,并使用同樣的PEC 進(jìn)行對(duì)比.在φ=0°,20°,40°得到的二維像如圖6 所示.在該成像場(chǎng)景中,式(11)計(jì)算得到距離向偏移距離Δx=1.875 m,實(shí)際成像結(jié)果中角反射器的偏移量和計(jì)算結(jié)果相符,且二維像中角反射器的尺寸與設(shè)定的邊長(zhǎng)相同.當(dāng)僅考慮快時(shí)間調(diào)制的情況時(shí),可能由于調(diào)制不理想,在距離向中產(chǎn)生一定的干擾,這是由于入射電磁波激發(fā)了交叉線極化電場(chǎng)分量,且超表面結(jié)構(gòu)僅能對(duì)單線極化波進(jìn)行調(diào)控,部分影響了成像效果.

圖6 不同入射方位角下PEC 與時(shí)間調(diào)制角反射器二維像結(jié)果Fig.6 2D profile of PEC and time-modulated radar corner at different incident azimuth angles

3 結(jié) 論

本文將時(shí)空調(diào)制超表面與雷達(dá)角反射器相結(jié)合,分析了調(diào)制情況下角反射器的電磁特性.使用幅度調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)結(jié)合空間調(diào)制實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)角反射器的RCS 可調(diào);使用相位調(diào)控超表面結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)間調(diào)制實(shí)現(xiàn)了角反射器的二維像偏移,并以正方形三面角反射器為例驗(yàn)證了相關(guān)電磁特性.本文提出的研究方法和設(shè)計(jì)思路對(duì)時(shí)空調(diào)制超表面、雷達(dá)角反射器的應(yīng)用提供了更廣闊的應(yīng)用思路和背景支持.

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