CN104995794B - 拥有经适配(最大化或最小化)等效雷达截面积的扁平化二面形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二面形装置(10)，包括两个板(11a,11b)，所述两个板在它们之间形成π‑2α的角，其中0＜α＜π/4。每一板包括底平面(12a,12b)、至少一个电介质层(13a,13b)以及辐射元件网(14a,14b)。入射波通过从两个板的双反射由所述装置反射。每一板的所述辐射元件网允许根据设定的相位定律沿着垂直于所述两个板的相交轴的轴从二面体的外部朝向中心产生相移，从而允许引入相对于给定操作频率的镜面反射的偏差。

Description

拥有经适配(最大化或最小化)等效雷达截面积的扁平化二面 形装置

技术领域

本发明的领域是包括两个板的二面形或二面装置的领域。

更具体来说，本发明是关于用于在具有扁平化二面形状(即，二面角或二面体)的装置的单静态配置中适配(最大化或最小化)等效雷达截面积(RCS)的技术，所述装置的两个板相互形成π-2α的角，其中0<α<π/4。

本发明可尤其用于需要适配(尤其是最大化或最小化)对象的RCS的任何应用。

为了最大化RCS，寻求使对象可极容易由单静态雷达检测。本发明可例如用于自行车上，以便使得借助于汽车防碰撞雷达能更容易检测到自行车。等效的应用对于通过海岸雷达或其它船舶载有的雷达进行船舶(尤其是轻型船舶，例如帆船)的检测是可能的。此处，再次可寻求通过使用紧凑的系统来防止碰撞。大体上，当本发明用以最大化RCS时本发明关注需要必须遇见入射波(无论其定向如何)的系统的所有应用：即，与射频识别、跟踪系统、RCS捷变等相关的应用。

在最小化RCS的情况下，本发明使得可能解决隐形应用。寻求使对象难以被雷达检测。

背景技术

最大化RCS

用以最大化RCS(即，获得大RCS)的第一现有技术解决方案包括使用金属二面体。

图1A和1B说明金属二面体1中的反射原理，所述金属二面体1针对不同入射角β(图1A中β＝0且图1B中β≠0)具有π/2的内二面角(形成金属二面体1的两个金属板2、3之间的角)。换句话说，两个板2、3相互形成π-2α的角，其中α＝π/4。

可见，通过金属二面体的金属表面2、3中的每一者上的双反射，入射波在它来的方向上反射。此双镜面反射通过笛卡尔反射定律使对象(金属二面体)的RCS最大化。所述表现类似于光学器件中的回反射器的表现。对于入射角β的较大变化(对于主瓣为大约±15°)，所述原理保持相同。换句话说，金属二面体的受关注性质在于其针对相对于零入射配置的入射方向大约±20°的入射角β的变化具有几乎恒定的RCS(相对于最大RCS具有3dB的变化)。

此第一现有技术解决方案具有主要缺陷：具有例如L x L的尺寸的两个金属板必须形成π/2的角度，以便使双反射机制可为有效的(即，以便其可具有等于反射波的角的入射波的角)。这导致具有深度上的相对大空间要求的3D对象(参见图1A)。

第二现有技术解决方案包含范阿塔阵列(Van Atta array)的使用。在此情况下，这是单个、平面印刷的阵列。然而，此阵列需要阵列的不同元件之间的印刷互连线。这些线造成设计中的损耗、寄生辐射和复杂性。

第三现有技术解决方案包含外差后向阵列型结构的使用，所述阵列使用重发送信号的相位共轭的原理。这些结构较难以实施，因为它们是基于有源结构(以在两倍于接收信号频率的频率下振荡的本地振荡器倍增)。

最小化RCS

存在若干已知技术用于在单静态雷达配置的情况中减少对象的RCS(和因此二面体的RCS)。

第一系列的方法例如通过在二面体的面上沉积吸收性材料来修改所述二面体的面的表面阻抗。因此，反射机制因此吸收性材料的存在而衰减。

我们还必须提到吸收由雷达发射的波的材料(也称为RAM或雷达吸收性材料)。这些RAM可以描述为具有若干层其中吸收电磁波的复合材料(例如磁性材料)的异质结构。

可以与通过材料对波的衰减相比的另一方法是借助于特定几何形状在材料中“截留”入射电磁波。在底平面和给定材料厚度(沙利斯柏立屏(Salisbury screen))方面描述此几何形状。

最后，还可以设置不同类型材料的组合，以便使由这些材料中的每一者反射的波的总和将是相消的(通过AMC(人工磁导体)型结构与PEC(完美电导体)型结构的组合)。

因此，此处在上文简要描述且专用于减少单静态雷达配置中的RCS的所有解决方案基本上是基于借助于具有特殊吸收性性质的材料或通过材料层的特定集合布置对入射电磁波的吸收。

发明内容

本发明在至少一个实施例中尤其旨在克服现有技术的这些不同缺陷。

更具体来说，本发明的至少一个实施例的目的是提供用于适配(最大化或最小化)具有扁平化二面形状(即，二面体的形状，所述二面体的两个板相互形成π-2α的角，其中0<α<π/4)的装置的等效雷达截面积(RCS)的技术，此二面体的空间要求小于经典金属二面体的空间要求，所述经典金属二面体的两个板相互形成π/2的角。

本发明的至少一个实施例还旨在提供不需要不同阵列元件之间的印刷互连线(不同于范阿塔阵列)的此种技术。

本发明的至少一个实施例的另一目的是提供使用完全无源结构(不同于外差后向阵列的情况)的此种技术，因此使得其简单得多、更便宜且从能量观点来看是完全自主的。

本发明的至少一个实施例的又一目的是提供实现多频率运作(即，在若干可能分离的操作频率下的运作)的此种技术。

最后，本发明的至少一个实施例的又一目的是提供实施简单且花费很少的此种技术。

本发明的至少一个实施例的又一目的是提供供应可根据时间调制的RCS的此种技术(即，具有RCS捷变的技术)。

在本发明的一个特定实施例中，提出一种二面形装置，所述装置包括两个板，特征在于所述两个板相互形成π-2α的角，其中0<α<π/4。每一板包括底平面，具有至少一个电介质层以及辐射元件的阵列，入射波通过两个板上的双反射由所述装置反射。每一板的所述辐射元件阵列使得能够根据确定的相位定律遵循垂直于所述两个板的相交轴的轴从二面体的外部朝向中心产生相移，从而使得可能引入相对于给定操作频率的镜面反射的偏差。

因此，本发明的此特定实施例依赖于使用两个辐射元件阵列(二面体的每一板中一个)的完全新颖且创造性的方法，其应用相同相位定律但不是相同意义(每一阵列从二面体的外部到中心产生相移)。每一阵列引入相对于镜面反射的额外偏差。因此可能无论两个板(形成反射平面)之间的角π-2α的孔隙如何都能控制入射波的再辐射的方向。

即使对于小角α，即对于极为开放的结构，也可以维持此有效的操作(取决于应用而具有高或低RCS)。因此，获得扁平化二面结构，且这限制了其深度(例如如图2中说明，深度P'＝L.sin(α)，其中板具有尺寸LxL，而不是针对图1A中说明的经典金属二面体的深度)。本发明的一个原始特征因此涉及如下事实：所述结构是几乎扁平的(如果其不像范阿塔阵列中那样完全扁平)，但除了阵列的辐射元件外不需要线(不同于范阿塔阵列的情况)。

本发明的又一原始特征在于，可能具有目的不同的若干特殊应用，例如增加装置的RCS、减少装置的RCS或者获得在时间上可变的RCS的实施例。

在第一特定实施方案中，所述相位定律使得装置能够在入射波来的方向上反射入射波，以便增加装置的等效雷达截面积。

根据一个特定特性，对于与接收入射波的所述两个板中的那些板的表面的法线形成角α的入射波，朝向所述二面体的中心的相对于镜面反射的偏差为：π/2-2α。

根据一个特定特性，对于与接收入射波的所述两个板中的一者的表面的法线形成角α的入射波，所述相位定律可如下写出：

γ＝k₀d(cosα-sinα)，其中k₀＝2πc/f₀是在工作频率f₀下的波数，且d是所述阵列的间距。

在第二特定实施例中，所述相位定律使得装置能够在与入射波来的方向不同的方向上反射入射波，以便减少所述装置的等效雷达截面积。

在第三特定实施例中，所述装置包括用于依据时间调制所述相位定律的构件，从而使得能够依据时间调制所述装置的所述等效雷达截面积。

根据一个特定特性，所述辐射元件是各自引入可变相移的辐射元件，且所述调制构件针对每一辐射元件阵列包括多个有源电路，所述多个有源电路各自控制所述辐射元件中的一者的相移。

本发明还提出针对此处上文提到的不同特定实施方案的其它特性。

根据一个特定特性，对于每一板，所述辐射元件是印刷于所述至少一个电介质层上的辐射元件。

根据一个特定特性，对于每一辐射元件阵列，遵循垂直于所述两个板的所述相交轴的所述轴从所述二面体的外部到中心在两个连续辐射元件之间的所述相移是通过所述辐射元件的至少一个尺寸的修改而获得。

根据一个特定特性，每一辐射元件阵列的所述间距小于λ/2，其中λ为工作波长。

根据一个特定特性，每一板包括至少另一个辐射元件阵列，使得可能引入相对于另一给定操作频率的镜面反射的偏差。

因此，可能的操作频率的数目增加(多频率操作)。

根据一个特定特性，所述辐射元件是各自引入固定相移的辐射元件。

在此情况下，所述装置是完全无源结构(不同于现有技术的外差逆火阵列)，这使得它们简单得多、成本较低且从能量观点来看是完全独立的。

附图说明

本发明的其它特征和优点从以下借助于指示性和非详尽实例给出的描述以及从附图中将显现，附图中：

-已经参考现有技术描述的图1A和1B说明经典金属二面体的反射原理；

-图2和3分别呈现根据本发明的一个特定实施例的二面形装置或二面装置的侧视图和透视图；

-图4说明移相器阵列的相位定律以及其关于法向入射(入射角β等于零)的平面波的操作；

-图5说明图4的移相器阵列的操作，其中入射波引入相对于法向入射的波的配置的相位延迟；

-图6说明当入射波引入相对于法向入射的波的配置的相位超前时图4的移相器阵列的操作；

-图7说明相对于装置的等效背平面针对法向入射的平面波的图2的装置的操作；

-图8说明当入射波提供相对于装置的左边板(面板)上的法向入射的波的配置的相位延迟时图2的装置的操作；

-图9说明当入射波提供相对于装置的左边板(面板)上的法向入射的波的配置的相位超前时图2的装置的工作；

-图10说明图3的装置的一个变型，其中装置具有两个可能的操作频率；

-图11说明图3的装置的另一个变型，其中装置包括用于依据时间调制相位定律的构件。

具体实施方式

在本文献的所有图中，相同元件由相同数字标号指定。

本发明的一般原理

在本发明中，在反射阵列的不同辐射元件之间应用相移产生二面形装置的每一板的所需反射定律。事实上，由每一板产生的相移使得能够将偏差引入到镜面反射中。因此无论两个板(反射平面)之间的角π-2α的孔隙如何都可以控制装置的再辐射的方向。因此即使对于小角α，即对于极为开放的结构，也可以维持有效的操作(例如高RCS)。因此，获得在扁平化二面体上印刷的结构，且这限制了其深度(参见图2：P'＝L.sin(α))。

此处下文在描述中，提供以下特定情况的更详细描述：相位定律使得装置能够在入射波来的方向上反射入射波，以便增加装置的等效雷达截面积(RCS)。

现在参见图2和3，我们呈现根据本发明的一个特定实施例的二面形装置10。

装置10包括相互形成角π-2α的两个板11a、11b，其中0<α<π/4。每一板11a、11b包括底平面12a、12b、电介质层13a、13b以及辐射元件的阵列14a、14b(也称为反射器阵列)。对于每一阵列，所述辐射元件是印刷于电介质层上的辐射元件。

在一个替代实施例中，每一板包括若干电介质层。

在图2和3的实例中，辐射元件在单个电介质层的表面上在单个层中分布。在一个替代实施例中，辐射元件在若干层上分布(这是反射器阵列技术中的经典配置，以便增加带宽)。

入射波借助于两个板11a、11b上的双反射由装置反射。假定入射波的波向量包含在同时垂直于二面体10的两个板的平面中。

每一板11a、11b的辐射元件的阵列14a、14b根据确定的相位定律实现沿着垂直于两个板的相交轴16的轴(对于左边板为标号15a且对于右边板为标号15b)从二面体的外部到中心的相移，从而实现相对于给定操作频率的镜面反射的偏差的引入。

在图2和3的实例中，对于每一板，通过辐射元件的大小朝向二面体的中心(对于左边板11a为从左到右，且对于右边板11b为从右到左)的减小而获得相移。对于每一板，相位定律在此情况下对应于朝向二面体的中心增加的负相移。由两个板的辐射元件的阵列14a、14b产生的相移因此相对于彼此是相反的。因此，阵列14a、14b中的每一者的不同元件之间的相移的应用使RCS最大化，同时使其不受双反射中涉及的(板11a、11b的)两个面之间的正交性的约束。

在图2和3的实例中，仅通过获得辐射元件的几何形状的变化，即通过修改辐射元件的至少一个尺寸(而不是如经典阵列情况那样取全部相同的辐射元件)，来产生每一阵列14a、14b的相移。

在图2和3的实例中，阵列14a、14b的辐射元件是矩形贴片。然而，存在可用以获得所需相移的辐射元件的许多其它拓扑(环形贴片、圆形贴片、狭槽装载的贴片、短桩装载的贴片等)。在每种情况下，阵列14a、14b的表面上的辐射元件的一或多个尺寸的修改产生所需相移。

提醒：单个反射器平面的相位定律

如图4中说明，当以法向入射的平面波说明阵列的元件时，此平面波经历取决于由阵列的元件引入的相移的反射下的偏差。阵列的元件的大小以及阵列的间距d因此使阵列的两个连续元件之间的相移固定，以便确定相位定律。

如果入射波的方向垂直于移相器阵列的平面(入射角β等于0°)，那么表明为了引导在方向(为如图4中以辐射元件大小的减小指示的正角，在偏差侧上)上反射的波的方向，两个连续元件之间的相移γ必须通过如下关系来描述：

其中k₀＝2π/λ＝2πc/f₀为工作频率f₀下的波数，且d是元件间距离(阵列的间距)。

如果入射角β不同于0°，那么必须描述两个实例：

情况1(参见图5)：入射角β引入相对于法向入射的波的配置的额外相位延迟，且新的相位定律γ可如下写出：

其中对应于法向入射的波的反射波的偏差(参见图4)。

情况2(参见图6)：入射角β引入相对于法向入射的波的配置的相位超前，且新的相位定律γ可如下写出：

其中角的意义与情况1中相同。

问题中的几何形状

图7说明相对于装置的后等效平面针对法向入射的平面波的图2的装置10的操作。

此图7因此描述当入射波垂直于等效背平面时，即当入射波与左边板11a的移相器阵列的表面的法线(接收入射波的两个板11a、11b中的那些板11a的表面的法线)成角α时称为“扁平化”二面体的二面体的问题中的几何形状。此配置称为“零入射配置”。

在此实例中，我们描述传入波在二面体中必须经历的不同偏差角，使得二面体的传出波将在与入射波相同的方向上反射。为此，针对两个板11a、11b中的每一者必须检验两个条件：

·两个连续元件之间的相移(从结构的外部到中心)必须对应于以相位定律γ描述的延迟；以及

·此延迟必须根据角α的值来调整，且相对于镜面反射的对应偏差必须朝向二面体的内部固定于(π/2-2α)(在图7中，标号71a的线表示左边板11a的镜面反射轴，且标号71b的线表示右边板11b的镜面反射轴的轴)。

表明针对两个板11a、11b中的每一者的相位定律如下写出：γ＝k₀d(cosα-sinα)，其中k₀和d已经在上文进一步界定。

由板11a、11b中的每一者的阵列14a、14b应用的此相位定律使得在引入相对于镜面反射的波束的额外偏差时能够补偿二面体的孔隙。

入射角β的变化的限制

我们在上文已进一步指示射线进入二面体的进入角可能经历不同于0°的偏差角β。因此需要描述适用于二面体的配置的两个实例。

图8说明在第一情况下，即当入射波引入相对于装置10的左边板(面板)11a上的法向入射的波的配置的相位延迟时，图2的装置的操作。在第一实例中，可以考虑相对于零入射(β＝0)的配置，存在针对左边板11a的图5的现象以及随后针对右边板11b的图6的现象。

图9说明在第二实例中，即当入射波引入相对于装置10的左边板(面板)11a上的法向入射的波的配置的相位超前时，图2的装置的工作。在此第二情况下，可以考虑相对于零入射(β＝0)的配置，存在针对左边板11a的图6的现象以及随后针对右边板11b的图5的现象。换句话说，互补的相位延迟和相位超前现象相对于第一实例置换。

在此处上文描述的第一和第二实例中(图8和9中说明)表明，当β不同于零时，由第一面板(左边面板)11a反射的波会由第二面板(右边面板)拦截，且不会消散(涉及在电介质材料中反射的射线的反射角)。此约束在角α较小时较大(例如，对于α＝10°，我们使β最大等于0.89°，且对于α＝22.5°，我们使β最大等于4.85°)。

换句话说，对于角β存在限制，以便保留二面效应且使得不会以扫掠入射到达反射阵列(可以回想在经典二面体中也存在此效应)。二面体则称为由孔隙角表征。此孔隙角可通过制作二面体阵列而增加。因此，具有根据本发明的紧凑的二面体10变为相当适当的。

每一反射器阵列的辐射元件的形状

可以从构成每一反射器阵列14a、14b的辐射元件(也称为单元)的若干形状当中进行选择：环形元件、圆形元件、矩形元件、正方形元件。单元形状的选择基本上是依据通过改变单元大小可获得的相移的总范围以及相移定律的频率表现而做出。使用模拟表明，如果寻求针对在最宽可能频率范围上的最佳可能线性度的相移具有最大可能漂移，那么环形单元是良好的折中。

每一反射器阵列的间距

每一反射器阵列14a、14b的间距经选择为尽可能限制旁瓣(尤其是阵列瓣)的电平的增加：此间距因此经选择为小于λ/2，其中λ为工作波长。

然而，如果寻求具有单元之间的相移的较大可能变化(所述变化通过大小而固定)，那么此阵列间距不应太小。选择是基于λ/2的阵列间距与λ/3的阵列间距之间的模拟的比较。模拟的结果展示，λ/3的阵列间距是优选的，因为其包含比λ/2的阵列间距的情况低的电平的旁瓣。

每一反射器阵列的大小

每一反射器阵列14a、14b(每一面板11a、11b的大小)影响装置10(具有两个反射器阵列的二面体)的最大RCS水平。因此必须在阵列大小与RCS的最大水平之间找到折中。可与相同大小的金属二面体做出比较，前提是对于此金属二面体，RCS是最大的。

改善带宽

如由频率选择性元件构成的每个阵列的情况中，此处上文提出的解决方案的带宽是有限的。

然而，对于许多应用，带宽不一定是约束。对于例如汽车防碰撞雷达，使用频率是已知的和固定的。宽频带因此是不必要的。对于识别型应用也是如此。

如果需要获得多频率操作(即，在不同的可能分离的频率下的操作)，那么每一板11a、11b包括例如辐射元件的至少一个其它阵列，使得可以针对另一给定操作频率引入相对于镜面反射的偏差。换句话说，每一板包括N个反射器阵列，其各自具有相异的操作频率，其中N大于或等于2。我们必须还注意获得根据给定可变性定律使阵列的间距变化的可能性。

图10说明图3的装置的变型，其中装置具有两个可能的操作频率(N＝2)：

·第一操作频率依赖于辐射元件14a、14b的第一阵列(与具有作为矩形贴片的辐射元件的图3的那些相同)；且

·第二操作频率依赖于辐射元件14a'、14b'的第二阵列(具有作为圆形贴片的辐射元件)。

如果将获得宽频带操作，那么辐射元件的单个阵列足以用于每一板，但基本元件必须是宽频带元件。以元件的经适配几何形状(例如，由印刷于同一层上或多层结构上的若干谐振器构成的元件)可获得此性质。

第一变型：最小化RCS

通过修改阵列上的相位定律，可以最小化RCS而不是最大化RCS。在此情况下采取步骤以在与单静态配置情况中的雷达的方向不同的方向上发送回入射波。此扩展使得可能解决隐形应用。

第二变型：依据时间的相位定律的调制

在第二变型(图11中说明)，装置包括用于依据时间调制相位定律的构件，因此依据时间调制装置的RCS(RCS捷变)。由每一阵列14a、14b的每一元件产生的相移例如由有源电路(移相器电路)111控制。在此情况下，辐射元件是各自引入可变相移(且不再是如图2、3和7到9的实例中的固定相移)的辐射元件，且调制构件针对辐射元件的每一阵列包括多个有源电路111，其各自控制一个辐射元件的相移。此多个有源电路自身由适当的命令装置(例如处理器)113控制，所述命令装置在输入处接收指示装置的RCS的所需变化的所指示的值。

此RCS捷变使得可能例如具体化装置(二面体)的特征，且因此促进其识别。

Claims (10)

1.一种二面形装置(10)，包括两个板(11a,11b)，特征在于所述两个板相互形成π-2α的角，其中0<α<π/4，每一板包括底平面(12a,12b)、至少一个电介质层(13a,13b)以及辐射元件的阵列(14a,14b)，入射波通过两个板上的双反射由所述装置反射，且：

-第一板的所述辐射元件的第一阵列使得能够根据确定的相位定律遵循垂直于所述两个板的相交轴的第一轴从第一板的外部朝向二面体的中心产生第一相移；且

-第二板的所述辐射元件的第二阵列使得能够根据确定的相位定律遵循垂直于所述两个板的所述相交轴的第二轴从第二板的外部朝向二面体的中心产生第二相移，

所述第一板和第二板的所述辐射元件的所述第一阵列和第二阵列产生的所述相移使得能够引入相对于给定操作频率的镜面反射的偏差。

2.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于，对于与接收入射波的所述两个板中的一者的表面的法线形成角α的所述入射波，所述相位定律如下写出：

γ＝k₀d(cosα-sinα)，其中k₀＝2πc/f₀是在工作频率f₀下的波数，且d是所述阵列的间距，

使得相对于所述镜面反射的所述偏差朝向所述二面体的中心为：π/2-2α，且所述装置在入射波来的方向上反射所述入射波，以便增加所述装置的等效雷达截面积。

3.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于，对于与接收入射波的所述两个板中的一者的表面的法线形成角α的所述入射波，所述相位定律不同于：

γ＝k₀d(cosα-sinα)，其中k₀＝2πc/f₀是在工作频率f₀下的波数，且d是所述阵列的间距，

使得所述装置在与入射波来的方向不同的方向上反射所述入射波，以便减少所述装置的等效雷达截面积。

4.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于所述装置包括用于依据时间调制所述相位定律的调制构件(111,113)，从而使得能够依据时间调制所述装置的等效雷达截面积。

5.根据权利要求4所述的二面形装置，其特征在于所述辐射元件是各自引入可变相移的辐射元件，且所述调制构件针对每一辐射元件的阵列包括多个有源电路(111)，所述多个有源电路各自控制所述辐射元件中的一者的所述相移。

6.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于，对于每一板，所述辐射元件是印刷于所述至少一个电介质层上的辐射元件。

7.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于，对于每一辐射元件的阵列，遵循垂直于所述两个板的所述相交轴的所述轴从所述二面体的外部到中心在两个连续所述辐射元件之间的所述相移是通过所述辐射元件的至少一个尺寸的修改而获得。

8.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于每一辐射元件的阵列的间距小于λ/2，其中λ为工作波长。

9.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于每一板包括至少另一个辐射元件的阵列(14a',14b')，使得可以引入相对于另一给定操作频率的镜面反射的偏差。

10.根据权利要求1所述的二面形装置，其特征在于所述辐射元件是各自引入固定相移的辐射元件。