CN107565218A - 基于fss多层反射调制板的uhf雷达频谱搬移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法，属于电磁场微波技术领域。利用电磁超材料的电磁特性可控性，设计出一种基于FSS的三层结构反射板调制板，实现瞬态特征阻抗状态的动态变换，从而改变低频雷达入射波的幅度、相位、反射波方向等电磁特性，解决UHF雷达入射波的频谱搬移和接收机信号检测问题。本发明基于FSS设计出三层反射调制板，解决了控制有源层表面高阻抗和低阻抗状态间的转换，实现了对雷达入射信号的二相恒模调制。同时，基于传输线原理，设计出可调反射调制板的等效电路，具有理想的吸波能力，实现对UHF频段雷达信号的频谱搬移。
Description
技术领域
本发明属于电磁场微波技术领域，涉及一种基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法。
背景技术
特高频(Ultra-High Frequency,UHF)(300MHz～3000MHz)雷达经过调制的电波和定向天线发射一束电磁能量，利用其电波波长相对较长的特点，可以探测超远距离移动目标的速度、角度等特征。当UHF频段的主要威胁来源于远距离雷达系统，它们工作方式灵活、带宽较大(>20％)，且电磁波在通常的电磁材料中传播时，电场、磁场以及波矢量方向三者满足右手法则，介电常数和磁导率固定，相关参数为正，具有正的折射率，无法灵活地改变电磁特性，这对工程师在设计雷达散射截面(Radar Cross section,RCS)材料时提出了相当高的挑战。
然而传统的反射调制板仅有一层频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)，该表面由大量的无源谐振单元组成了周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成，在单元谐振频率上呈现全反射(贴片型)或全传输(孔径型)特性。该单层反射结构无法用简单的等效电路实现，也不能动态变换反射状态。
近年来，随着电磁场微波学科的技术发展，出现了一批雷达散射截面控制技术，并且电磁超材料成为研究热点。其中，基于电磁超材料的频谱搬移技术不仅能有效地解决UHF雷达带宽、波形设计的问题，还能解决RCS材料的设计问题。
电磁超材料是一类介电常数和磁导率可人为控制、各参量可正可负的新型人工复合电磁材料。相比通常的电磁材料，它具有两点完全不同的奇特性质：一是电磁波在其中传播时，电场、磁场、电磁波波矢量的方向三者满足左手法则。由此，电磁波能流方向与其传播方向反向平行，电磁波的群速度方向与相速度方向相反，即具有反向波的特性，并会产生反向的多普勒效应。二是电磁超材料可具有负的折射率，形成负折射特性，该特性于2001年在实验上首次被验证。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法，利用电磁超材料的电磁特性可控性，设计出一种基于FSS的三层结构反射板调制板，实现瞬态特征阻抗状态的动态变换，从而改变低频雷达入射波的幅度、相位、反射波方向等电磁特性，解决UHF雷达入射波的频谱搬移和接收机信号检测问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法，包括以下步骤：
中心频率为fc的单位强度平面波垂直照射到频率选择表面(Frequencyselective surface,FSS)多层反射调制板的表面，反射信号分别为cos(2πfct)和cos(2πfct+βd)，其中β＝2π/λ为电磁波在介质层中的传播常数；d为介质层厚度；t为时间；
取d＝λ/4，两个反射信号相位差为180°，若该调制板的表面的有源阻抗层的阻抗状态的转换受到频率为fs、占空比为50％的周期性方波的控制，则反射波的归一化频谱为：
其中，n为谐波数，δ为冲激函数；表明入射频率fc处，反射波没有频谱分量，其平均反射能量为0；即只要调制响应信号的频率fs为将第一旁瓣移出雷达接收机的通带，该调制板的表面将表现出理想的吸波能力，实现对特高频(Ultra-High Frequency,UHF)雷达信号的频谱搬移。
进一步，所述FSS多层反射调制板转换成传输线等效模型时，有效阻抗为：
反射系数表示为：
其中，Z0为自由空间阻抗，取377欧姆；Rs为反射面电阻，Ls为电感，Cs为电容，ω为旋转角度，面特征阻抗Zs＝Rs+jωLs+1/jωCs。
进一步，所述FSS多层反射调制板包括阻抗可调的有源阻抗层、金属背板和厚度为d的介质层，有源阻抗层的阻抗随着外界的控制信号在各种阻抗状态间转换；有源阻抗层在完全透明和完全反射两种状态间转换，即在R＝∞和R＝0两种状态间转换。
本发明的有益效果在于：已有单层FSS只能在单元谐振频率附近呈现出全反射或全传输，不能随外界控制信号而动态地改变阻抗状态。本发明基于FSS设计出三层反射调制板，解决了控制有源层表面高阻抗和低阻抗状态间的转换，实现了对雷达入射信号的二相恒模调制。同时，基于传输线原理，设计出可调反射调制板的等效电路，具有理想的吸波能力，实现对UHF频段雷达信号的频谱搬移。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为FSS三层反射调制板示意图；
图2为反射相位调制板状态示意图；
图3为基于传输线原理的可调反射调制板等效电路；
图4为典型的FSS反射调制板的反射率；(a)为典型阻抗下的FSS调制板反射率；(b)为调制表面厚度对吸波能力的影响。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明设计的反射调制板采用多层结构，由第一层频率选择表面、第二层间隔层、第三层接地层组成，其结构如图1所示。
假设某相位调制表面，由有源阻抗层(阻抗可调)、金属背板和厚度为d的介质层组成，状态示意图如图2所示。有源层的阻抗可以随着外界的控制信号在各种阻抗状态间转换。考虑理想的情形，可控有源层在完全透明(R＝∞)和完全反射(R＝0)两种状态间转换。当中心频率为fc的单位强度平面波垂直照射该表面时，这反射信号分别表示为cos(2πfct)和cos(2πfct+βd)，其中β＝2π/λ为电磁波在介质层中的传播常数。
当d＝λ4时，这两种状态下的反射信号相位差为180°，其合成信号相当于二进制相位调制(BPSK)信号。倘若有源层的阻抗状态的转换受到频率为fs、占空比为50％的周期性方波的控制，则反射波的归一化频谱表示成：
由公式可知，入射频率fc处，反射回波没有频谱分量，其平均反射能量为0，这表明理想情况下，只要调制响应信号的频率fs大至可以将第一旁瓣移出雷达接收机的通带，该相位调制表面将表现出理想的吸波能力。
若将三层反射调制板转换成传输线等效模型，如图3所示，则有效阻抗为：
设计的多层反射调制板的反射系数可表示为：
其中，Z0是自由空间阻抗，取377Ω。
图3中，Zs表示反射调制板第一层FSS的等效阻抗，是可调的；表面特征阻抗为：Zs＝Rs+jωLs+1/jωCs。
假设FSS特征阻抗为Ls＝3.4nH，Cs＝10fF，Rs＝350Ohm，典型的反射调制板的反射系数如图4(a)所示。结果表明FSS的调制板在0GHz-2GHz范围内，工作频点1.55GHz上的反射系数可以低至-120dB。图4(b)表明，介质层厚度d减少，工作频点增加，反射系数增加，反射调制板的吸波能力降低。若d＝5mm，需要优化设计表面特征阻抗，进而在工作带宽上实现具有趋近零的反射系数，表现出理想的吸波能力。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (3)
1.基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
中心频率为fc的单位强度平面波垂直照射到频率选择表面(Frequency selectivesurface,FSS)多层反射调制板的表面，反射信号分别为cos(2πfct)和cos(2πfct+βd)，其中β＝2π/λ为电磁波在介质层中的传播常数；d为介质层厚度；t为时间；
取d＝λ/4，两个反射信号相位差为180°，若该调制板的表面的有源阻抗层的阻抗状态的转换受到频率为fs、占空比为50％的周期性方波的控制，则反射波的归一化频谱为：
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其中，n为谐波数，δ为冲激函数；表明入射频率fc处，反射波没有频谱分量，其平均反射能量为0；即只要调制响应信号的频率fs为将第一旁瓣移出雷达接收机的通带，该调制板的表面将表现出理想的吸波能力，实现对特高频(Ultra-High Frequency,UHF)雷达信号的频谱搬移。
2.根据权利要求1所述的基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于：所述FSS多层反射调制板转换成传输线等效模型时，有效阻抗为：
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其中，Z0为自由空间阻抗，取377欧姆；Rs为反射面电阻，Ls为电感，Cs为电容，ω为角频率，因而表面特征阻抗Zs＝Rs+jωLs+1/jωCs。
3.根据权利要求1所述的基于FSS多层反射调制板的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于：所述的FSS多层反射调制板包括阻抗可调的有源阻抗层、金属背板和厚度为d的介质层，有源阻抗层的阻抗随着外界的控制信号在各种阻抗状态间转换；有源阻抗层在完全透明和完全反射两种状态间转换，即在R＝∞和R＝0两种状态间转换。
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