CN107608580A - 改进Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达隐身系统领域，特别涉及一种改进Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法；所述方法包括：基于时控反射面，设计一种新型的Salisbury屏幕，获得TE波和TM波的反射系数表达式；在Salisbury屏幕的电阻层表面加载一层负感抗，增加对大带宽、多方向、双极化雷达来波的适用性，推导电感匹配下的最优解；本发明能降低屏幕的工作频点，增加工作带宽，同时还可以大大缩小屏幕的厚度，提高相位调制屏幕的适用范围；该屏幕有助于减缩雷达反射截面材料，实现对超薄宽带雷达吸收器结构的设计。
Description
技术领域
本发明涉及雷达隐身系统领域，特别涉及一种改进Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法。
背景技术
为了提高雷达隐身系统目标检查与跟踪的准确性，往往在信号处理模块加载了先进算法，并采用灵活的频谱策略及高性能高带宽的射频系统，目的是在较低的雷达散射截面(Radar Cross-Section,RCS)下识别并跟踪远距离目标。目前，雷达的频率范围已从8-12GHz(X频段)、12-18GHz(Ku频段)扩展至2-18GHz，因此需要提出能工作在低段高带宽的材料进而设计雷达吸波器。UHF(300MHz～3000MHz)雷达利用电波波长相对较长的特点，可以探测移动目标的距离、速度、角度等特征，被广泛应用于战略预警的陆、海、空各类探测系统中。在该频段上传播的雷达信号具有来波方向灵活、带宽较大(>20％)、极有可能采用多频点或调频、波形采用线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)等特点。因此，当UHF电磁波在通常的电磁材料中传播时，介电常数和磁导率固定、相关参数为正，因而无法灵活地改变系统的电磁特性，这对隐身系统雷达吸波器的设计带来了巨大挑战。近年来，各种人工复合材料被用于制造超薄宽带雷达吸收器。其中，电磁超材料是一种具有介电常数和磁导率人为可控、各参数可正可负的新型复合电磁材料，能用于设计雷达吸波材料(Radarabsorbing materials,RAM)，而基于电磁超材料的频谱搬移是实现雷达吸波器结构设计的关键技术。
近年来，随着电磁超材料的兴起，我们可以利用电磁超材料电磁特性的可控性，设计出一种频谱反射调制板，使照射在板面上的电磁波的电磁特性改变。相比传统的反射调制板，即Salisbury屏幕，该屏幕由接地介质上放置一层电阻层构成，该屏幕在频率选择表面(Frequency selective surface,FSS)的基础上增加电阻层和金属接地层，进而实现对大带宽多方向来波的频谱搬移。Salisbury屏幕要么仅有一层频率选择表面结构，要么其工作频率与自由空间阻抗层与后板(良导体)间的距离有关系，不适合大带宽多方向的来波信号。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于改进的Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法，降低屏幕的工作频点，增加工作带宽，同时还可以大大缩小屏幕的厚度，提高相位调制屏幕的适用范围；该屏幕有助于减缩雷达反射截面材料，实现对超薄宽带雷达吸收器结构的设计。
一种改进的Salisbury屏幕，所述Salisbury屏幕由可调FSS、介质间隔层和金属接地层，所述可调FSS包括电阻层，所述电阻层上加载一层负感抗。
进一步地，Salisbury屏幕的反射系数为：
TE波的反射系数为：
TM波的反射系数为：
其中，R为电阻层的电阻，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，β是传播常数。
优选地，TE波的反射系数的趋近于零，包括：
对于TE极化雷达来波，当在较低频率，即传播常数较小，为使反射系数为0，需满足：
且
一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，包括：
根据Salisbury屏幕的特性，计算TE波和TM波的反射系数；
求解出使TM波的反射系数趋近零的电感值。
为了使TE波的反射系数趋近零，适用于较大带宽，在Salisbury屏幕的电阻层加一层负感抗层，求解出最优匹配下的电感值。
优选地，所述Salisbury屏幕的反射系数为：
TE波的反射系数为：
TM波的反射系数为：
其中，R为电阻层的电阻，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，β是传播常数，L为电感，ω为角频率。
优选地，加载的负感抗能使双极化雷达来波在较大带宽下匹配：
对于TE波，当在较低频率，即传播常数较小时，趋近于0时，约为此时：
其中，β是传播常数，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，L为电感，ω为角频率。
优选地，获得负感抗时的最优匹配解，包括：
对于TE波，令且可以得到电感表达式：L＝dμ0μr；
其中，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，μ0为真空磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，L为电感，ω为角频率，Z0为自由空间阻抗。
优选地，负抗感层的TM波的电感的表达式包括：
对于TM波，采用电感匹配的优化解，可以得到电感表达式：
L＝dμ0μr(1-sin2(θ)/εrμr)。
附图说明
图1为本发明一种改进的Salisbury屏幕的数学模型的结构示意图；
图2为本发明一种基于改进的Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法流程示意图；
图3为本发明不同厚度下的TE波的反射系数示意图；
图4为本发明全方向入射时TE波的反射系数图；
图5为本发明不同来波方向下TM波的反射系数图；
图6为本发明不同极化情况下多方向来波的反射系数图；
图7为本发明加载负感抗层后的TE波反射系数图；
图8为本发明加载负感抗层后的TM波反射系数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
发明提出的一种基于改进的Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，如图1所示，包括：
根据Salisbury屏幕的特性，计算TE波和TM波的反射系数表达式；
求解出使TM波的反射系数趋近零的电感值；
为了波适用于大带宽，降低反射系数，在Salisbury屏幕的电阻层加一层负感抗层，求解出电感值。
进一步地，所述根据Salisbury屏幕的特性，计算TE波(指电矢量与传播方向垂直)和TM波(指磁矢量与传播方向垂直)的反射系数表达式包括：
TE波的反射系数为：
TM波的反射系数为：
本发明是一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移装置，所述Salisbury屏幕由FSS、介质间隔层和金属接地层组成。为了增加极化波对大带宽的适应能力，在FSS表面的电阻层上加载一层负感抗，如图2所示。进一步地，所述改进的Salisbury屏幕的反射系数为：
TE波的反射系数为：
TM波的反射系数为：
其中，R为电阻层的电阻，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，ω为角频率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，β是传播常数，L为电感。
进一步地，所述负感抗使TE波在较低频率下适合大带宽传输，包括：
对于TE波，当在较低频率，即传播常数较小时，趋近于0时，约为此时：
其中，β是传播常数，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，ω为角频率，L为电感。
进一步地，电感的表达式包括：
对于TE波，令且可以得到电感表达式：L＝dμ0μr；
对于TM波，采用电感匹配的优化解，可以得到电感表达式：R＝Z0cos(θ)，L＝dμ0μr(1-sin2(θ)/εrμr)；
其中，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，μ0为真空磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，Z0表示自由空间阻抗，ω为角频率，L为电感。
为了探究Salisbury屏幕厚度对工作频点的影响，假设TE波入射角为15°，表面特性电阻Rs＝350欧姆，加载电感Ls＝94.2nH，介质为自由空间，其不同厚度的TE波电感频反射系数如图3所示，由仿真结果可知Salisbury屏幕的工作频率受厚度的影响很大，厚屏具有较低的工作频点，因此若要满足一定的厚度指标，需要根据负电感屏的电感求取公式选择合理的电感。
全方向TE波在标准Salisbury屏幕的反射系数图4表明，TE波正反入射角具有相同的反射性能，且Salisbury屏幕的工作频点受来波方向的影响较大，表现为随入射角增加，频点增加。
全方向TM波在标准Salisbury屏幕的反射系数图5表明，TM波正入射角的来波方向对Salisbury反射系数表现为随着入射角的增加，TM波的工作频点增加，带宽变小，同时Salisbury屏幕的反射能力增强。
不同极化情况下的多方向来波的反射系数图6表明，TE波与TM波具有相同的工作频点，但是TM有相对高的反射系数，而且受来波方向的影响较大。
假设d＝37.5mm，相对介电常数为4，在屏幕后加载电感为47.1nH的电感屏，TE波和TM波的反射系数图7和图8表明，对比厚度相同的传统Salisbury屏幕，加载电容屏的屏幕工作频点更低，带宽更宽。
综上所述，根据本发明的上述实施例，提供了一种改进的Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法，通过在传统Salisbury屏幕的电阻层表面水平的放置负电感屏，增加对大带宽、多方向、双极化雷达来波的适用性，降低屏幕的工作频点，增加工作带宽，同时还可以大大缩小屏幕的厚度，提高相位调制屏幕的适用范围。
所应理解的是，以上均为本发明的不同实现方式，装置实施例未描述部分可以参考方法实施例相应部分的描述，反之亦然。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种改进的Salisbury屏幕，所述Salisbury屏幕由可调频率选择表面FSS、介质间隔层和金属接地层组成，所述可调频率选择表面FSS包括电阻层，其特征在于，所述电阻层上加载一层负感抗层。
2.根据权利要求1所述的一种Salisbury屏幕，其特征在于，Salisbury屏幕的反射系数包括TE波的反射系数和TM波的反射系数：
TE波的反射系数为：
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其中，R为电阻层的电阻，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，β是传播常数。
3.根据权利要求2所述的一种Salisbury屏幕，其特征在于，TE波的反射系数的趋近于零，即对于TE极化雷达来波，当在较低频率，即传播常数较小，为使反射系数趋近于0，需满足：
且
4.一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于，包括：
根据Salisbury屏幕的特性，计算TE波和TM波的反射系数；
求解出使TM波的反射系数趋近零的电感值；
为了使TE波的反射系数趋近零，适用于较大带宽，在Salisbury屏幕的电阻层加一层负感抗层，求解出最优匹配下的电感值。
5.根据权利要求4所述的一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于，在电阻层表面加载一层负感抗层，所述Salisbury屏幕的反射系数为：
TE波的反射系数为：
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其中，R为电阻层的电阻，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，β是传播常数，L为电感，ω为角频率。
6.根据权利要求4所述的一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于，加载的负感抗层能使双极化雷达来波在较大带宽下匹配：
对于TE波，当在较低频率，即传播常数较小时，趋近于0时，约为此时：
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其中，β是传播常数，d为介质厚度，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，L为电感，ω为角频率。
7.根据权利要求4所述的一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于，获得负感抗时的最优匹配解，包括：
对于TE波，令且可以得到电感表达式：L＝dμ0μr；
其中，d为介质厚度，β是传播常数，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，μ0为真空磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角，Y0为自由空间的电导，L为电感，ω为角频率，R为电阻层的电阻，Z0为自由空间阻抗。
8.根据权利要求4所述的一种基于Salisbury屏幕的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于，负抗感层的TM波的电感的表达式包括：
对于TM波，采用电感匹配的优化解，可以得到电感表达式：
L＝dμ0μr(1-sin2(θ)/εrμr)
其中，L为电感，d为介质厚度，β是传播常数，εr为相对介电常数，μr为介质的磁导率，μ0为真空磁导率，θ为入射波与屏幕法线方向的夹角。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710813682.1A CN107608580A (zh) | 2017-09-11 | 2017-09-11 | 改进Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710813682.1A CN107608580A (zh) | 2017-09-11 | 2017-09-11 | 改进Salisbury屏幕及UHF雷达频谱搬移方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107608580A true CN107608580A (zh) | 2018-01-19 |
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Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108682962A (zh) * | 2018-03-18 | 2018-10-19 | 南京理工大学 | 基于幅度可调谐的电控吸波超表面 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014004307A1 (en) * | 2012-06-25 | 2014-01-03 | Lyondell Chemical Technology, L.P. | Process for the production of acetic acid |
| CN106255225A (zh) * | 2016-09-22 | 2016-12-21 | 重庆邮电大学 | 一种新的车联网mac层的媒体接入机制和信道协作方法 |
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2017
- 2017-09-11 CN CN201710813682.1A patent/CN107608580A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2014004307A1 (en) * | 2012-06-25 | 2014-01-03 | Lyondell Chemical Technology, L.P. | Process for the production of acetic acid |
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| KENNETH LEE FORD等: "Oblique Incidence Analysis of a Salisbury Screen Employing a Non-Foster Matching Technique", 《2013 LOUGHBOROUGH ANTENNAS & PROPAGATION CONFERENCE》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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