CN110196408A - 一种电控可调的三面角反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电控可调的三面角反射器，由三块AFSS吸波屏正交拼接而成。其中，AFSS吸波屏是一种三层结构，由AFSS层、介质支撑层和金属底板由内至外依次叠加而成的。AFSS层由FSS介质基底和周期整齐排布的领结型FSS单元组成；在竖向串联的各FSS单元间焊接PIN管，使其具备电控可调的特性。本发明的优点是：可以实现三面角反射器目标雷达特性的调控，可以控制吸波谐振频率，可以控制AFSS的对入射电磁波的散射强弱，并且该变化具有实时性，是灵活可调的；拓展调制频带宽度；可应用于雷达无源干扰，可以结合间歇采样的干扰原理，使回波信号产生频谱搬移，经雷达匹配滤波后，可以实现欺骗干扰的效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种电控可调的三面角反射器，具体涉及到利用超材料改 变雷达目标的后向散射特性，更进一步来说是利用新型吸波材料(RAM) ——电控频率选择表面(Active Frequency Selective Surface，简称AFSS) 来可控的改变传统三面角结构的雷达目标后向散射特性，设计了一种特征 电控可调的新型三面角反射器结构。属于雷达目标特性领域。
【背景技术】
雷达根据所收至的回波来判定目标的各种信息，包括诸如运动轨迹、 物理参数、几何形状等。雷达目标特征信息隐含于雷达回波之中，通过特 定的波形设计和对目标回波幅度与相位的处理，分析与变换，可以得到目 标的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)及其起伏统计模型、目标极 化散射矩阵、目标多散射中心分布和目标成像等参量，它们表征了雷达目 标的固有特征。
在实际应用中，雷达获得目标的固有特征后，还需要对目标进行分 类、识别，以进一步确定目标的类型以及数目。雷达目标分类识别的任务 就是在复杂背景下，鉴别出感兴趣的目标，并确定目标类型、数目等信 息。总而言之，目标RCS信息是目标特征的重要属性，在目标识别领域应 用甚广。
从另一个角度来看，被雷达探测的非合作目标通常希望降低被雷达发 现的概率，以更好的保护“自己”，因此电子干扰技术应运而生。常用的 电子干扰方法有有源和无源两种主要的方式。有源干扰包括压制式干扰、 有源欺骗式干扰。无源干扰则通常包括角反射器、箔条、假目标等。
传统角反射器是由两块或三块金属平板相互垂直构成的二面角或三面 角结构，由于其特殊的几何结构，会对入射电磁波产生多重内反射，具有 极强的后向雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)，常用于构成假目标 来进行隐真示假，对主动发射电磁波并接收回波信号的武器和平台如警戒 雷达、炮瞄雷达等有着良好的欺骗与诱骗作用。其中，二面角反射器的 RCS随入射角变化很快，只在很小的入射角范围内才能保证取得较大的RCS值。相比之下，三面角反射器本身的几何结构稳定，当各平板相互正 交时，能在很宽的角度范围内产生强烈的回波散射，即具有很大的RCS， 所以三面角反射器的实际应用最为广泛。
但传统角反射器存在一个明显缺陷，即一旦确定了其结构大小后，对 于某一确定频率的入射波而言，该角反射器的RCS曲线是一固定值，极容 易被非合作雷达发现，并完全暴露自己的属性，是一个巨大的隐患。在目 标特性领域，进行目标特征变换是十分重要的一种自身防护手段。目标的 雷达散射截面(RCS)是表征雷达目标对于照射电磁波散射能力的一个物 理量，是雷达目标特性的一个重要参数，因此如果能够利用技术方法改变 雷达目标的散射特性，那么就能够有效地提高保护目标抗鉴别、抗识别能 力，达到目标自我隐蔽、自我保护的效果。
为了达到这种效果，我们可以通过外加激励来人为的改变材料或元件 的位置或物理特性从而操纵人工电磁材料电磁特性(等效介电常数、磁导 率、表面阻抗等)。外加激励的形式多种多样，主要的调节方式有机械调 节和电控调节。将一个无源角反射体设计为机械微运动状态，就能够在 SAR图像上产生干扰条带，用于遮挡需要被保护的地面目标，这种干扰方 法被称为无源微动干扰方法。但是这种方法仍然存在不足，因为机械运动 需要一定时长，以至于没法实现对电磁波的脉内调控，干扰的程度和效果 都很受局限。
电控频率选择表面(以下简称AFSS)是一类可以通过电控调节的吸 波体材料，相对于机械调节，它最大的优点就是能通过阻抗元件(如贴片 电阻、贴片电感、贴片电容、PIN二极管、变容二极管等)来实现电磁特 性的快速动态调节。这些有源阻抗元件被焊接在传统FSS(频率选择表 面)单元图形间并受到相应的偏置电路控制，AFSS材料具有自适应能力，可以随输入源的大小实现目标在某一频段高反射状态和低反射状态间 的快速切换，完成对电磁波的脉内调控。电控调节的应用在雷达目标特征 控制领域受到了广泛的关注，在实践中也极大的提高了军事目标适应复杂 战场环境的能力。
在这种背景下，针对三面角反射器的稳定性和强反射性，同时考虑 AFSS吸波屏的电控可调吸波性能，本发明提出了一种基于AFSS吸波屏 的特征可调三面角反射器结构。这种结构同时兼备灵活可调、时变性以及 拓展调制频带宽度等优点。本发明创造性地采用三块AFSS吸波屏构成三 面角反射器结构，通过精确的参数设计和控制，有选择地让电磁波的反射 效率不相同，实时控制雷达信号的反射回波，使得入射信号在角反射器内 经多次调制后返回，所产生的干扰信号可以实现目标隐身以及无源干扰的 作用，因此可以大大增加非合作雷达的目标检测和鉴别的难度。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种电控可调的三面角反射器，以解决现有技 术中的传统角反射器的RCS曲线为固定值，极容易被非合作雷达发现的问 题，设计一个电控灵活可调的无源散射体，以实现无源干扰的作用。
与图1所示普通三面角结构类似，本发明一种电控可调的三面角反射 器——基于AFSS的特征可调三面角反射器结构仍由三个正方形面组成， 具体是由三块AFSS吸波屏正交拼接而成。其中，AFSS吸波屏是一种三 层结构，由AFSS层、介质支撑层和金属底板由内至外依次叠加而成的。 如图2所示为AFSS吸波屏三面角结构示意图。其中，AFSS层由FSS介 质基底和周期整齐排布的领结型FSS单元组成，FSS单元结构示意图如图 5所示；在竖向串联的各FSS单元间焊接PIN管，使其具备电控可调的特 性。
其中，所述的三块AFSS吸波屏的介质支撑层厚度是非一致的，通过 设置所述介质支撑层的厚度，改变整个三面角反射器的低反射频带的位 置。
其中，介质支撑层的厚度范围为1～10mm。
本发明针对目标特征变换技术，提出一种基于超材料AFSS吸波屏的 特征可调三面角反射器结构，其核心思想在于通过精确的参数设计可以主 动控制反射器对入射电磁波的反射强度，调制电磁波回波曲线，实现改变 原结构目标特性的效果。仿真表明，AFSS吸波屏的介质支撑层PMI泡沫 板的厚度可以影响本设计对于入射波的吸波带的分布，同时AFSS吸波屏 的偏置控制电流可以影响吸波带的吸波效果强弱。因此，我们可以通过合 理设置三块AFSS吸波屏的介质支撑层PMI泡沫板的厚度，以及调节 AFSS吸波屏的偏置控制电流大小，就可以使得三块吸波屏分别具有互异 的谐振频率。对于整个反射器结构而言，一束电磁波经过三面角反射器的 若干次反射后则会形成具有一到三个吸波带的回波。如此，可以改变原本 结构的目标特性曲线、调制电磁波回波最终达到形成无源干扰、保护目标的效果。
总而言之，本发明能够达到的效果以及具备的优点是：
(1)引入AFSS吸波屏可以实现三面角反射器目标雷达特性的调控，通 过调整AFSS吸波屏中介质支撑层的厚度就可以控制吸波谐振频 率，调整AFSS吸波屏的偏置控制电流就可以控制AFSS的对入射 电磁波的散射强弱，并且该变化具有实时性，是灵活可调的；
(2)拓展调制频带宽度。入射电磁波每经过一块吸波屏反射就会形成一 个吸波带，当三面角三块吸波屏设置不同介质支撑层厚度时，就会 形成多个吸波带，为干扰提供了更多的可能；
(3)可应用于雷达无源干扰。该发明对电磁波的高低散射状态等同于实 现了信号的幅度调制，可以结合间歇采样的干扰原理，使回波信号 产生频谱搬移，经雷达匹配滤波后，可以实现欺骗干扰的效果。
【附图说明】
图1是普通金属三面角结构示意图；
图2是本发明一种电控可调的三面角反射器结构示意图；
图3是普通金属三面角仿真模型；
图4是本发明一种电控可调的三面角反射器仿真模型；
图5是领结型FSS单元结构示意图；
图6是普通金属三面角的后向RCS曲线图；
图7是本发明一种电控可调的三面角反射器的后向RCS曲线图 (d＝4.2mm)；
图8是本发明一种电控可调的三面角反射器的后向RCS曲线图 (d＝2.7mm)；
图9是AFSS吸波屏频率响应示意图；
图10是AFSS吸波屏传统散射调制函数示意图；
图11是AFSS吸波屏间歇散射调制函数示意图；
【具体实施方式】
本发明旨在以无源的方式对雷达回波进行精确调制实现雷达目标自卫 式防护，将新型人工电磁材料与角反射体结构进行结合，设计研究新型目 标特性电控可调无源干扰装置。
首先结合附图和仿真结果，对本发明的基本原理和特性做进一步解释 说明。本发明一种电控可调的三面角反射器，结构示意图如图2所示。从 图2能够看出，本发明主要包含三个组成部分：
a)AFSS层：AFSS层由厚度为0.8mm的FSS介质基底和周期整齐排 布的厚度为0.072mm领结型FSS单元组成，FSS单元结构示意图如图5所 示，在竖向串联的各FSS单元间焊接PIN管，使其具备电控可调的特性。
b)金属底板：金属底板的厚度为0.072mm，实际中通常采用铝、铜等 金属制作。对于电磁波而言，金属背板在这里就相当于“一面墙”，电磁 波遇到后会全部反射。
c)介质支撑层：介质支撑层是厚度为d(范围：1～10mm)的PMI泡 沫板，该介质各向同性低损耗，可用于将阻抗层(AFSS层)和导体背板 (金属底板)分开,低损耗介质的厚度以及特性直接影响AFSS吸波屏三面 角的性能。如果单独制作AFSS吸波屏三面角，可以不填充除空气外的任 何介质，这就要求利用机械支撑的方法将阻抗层和导体背板层分开一定的距离，但若将AFSS吸波屏三面角加载到武器装备上则必须使用低损耗介 质，如泡沫介质。
下面结合附图1～11所示，从具体的实施方法对本发明做进一步解 释。主要步骤为：
步骤一：设立普通金属三面角模型为参照对象，以说明AFSS吸波屏 三面角的特征可调特性。普通金属三面角和本发明电控可调的三面角反射 器的结构示意图分别如图1、图2所示。普通金属三面角由三块单层金属 板正交拼接而成，本发明电控可调的三面角反射器则由三块AFSS吸波屏 正交拼接而成，每一块AFSS吸波屏又由AFSS层、介质支撑层(厚度为 d)和金属底板依次叠加而成。在CST电磁仿真软件上的进行建模仿真， 示意图如图3、图4所示。首先在电磁仿真软件(CST)上建立仿真模 型，具体参数设置如下：两种三面角的单块板尺寸大小均为 236mm×236mm，其中本发明电控可调的三面角反射器三块屏的介质支撑 层厚度此时均为d＝4.2mm。
步骤二：分别对两个三面角加设一个斜向入射的平面电磁波，设定电 磁仿真参数：电磁波入射角度为Theta＝45°、Phi＝45°，频率为8GHz～12GHz 间的若干频点，背景材料为真空，所有的边界都设为开放边界。对于AFSS吸波屏，通入不同强度电流时，连接金属贴片的二极管会相应呈现 出不同的阻抗大小。因此，我们在仿真中可以直接设定连接元件的阻抗大 小，以静态的形式达到表现其动态调控的特性。基于此，设立了 100Ω～3100Ω间的若干阻抗值进行对比参照。
步骤三：根据设定的实验条件，得到基于CST软件仿真的普通金属三 面角和本发明电控可调的三面角反射器的后向RCS扫频结果如图6、图7 所示。从以上曲线能够看出，普通金属三面角结构和本发明电控可调的三 面角反射器的后向散射差别十分明显。具体表现在前者的RCS曲线基本没 有随入射波频率的递增而变化，而后者随着二极管阻抗值的不同在各频点 表现出不同的散射特性，通过改变连接元件阻抗值(diode)的大小，可以 改变整个AFSS吸波屏三面角结构的反射率高低。从图7可以看到本发明 电控可调的三面角反射器结构的后向RCS曲线在8.5GHz处根据连接二极管 不同的阻抗值呈现出不同的散射强度。具体来说，当diode＝1300Ω时，呈现 出最大吸收幅度-20.5dB，此时最低散射状态；当diode＝100Ω时，呈现出最 小吸收幅度-3dB，此时为高散射状态。所以，通过对吸波屏连接二极管阻 抗值的控制，即对吸波屏通入电流大小的控制，就可以使本发明电控可调 的三面角反射器在高散射状态与低散射状态间自由切换，实现其电控实时 可调特性。
步骤四：设置AFSS吸波屏三面角三块屏的介质支撑层厚度均为 d＝2.7mm，根据设定的实验条件，得到基于CST软件仿真的AFSS吸波屏 三面角的后向RCS扫频结果如图8所示。与步骤三中d＝4.2mm的情况相比 较，从以上曲线能够看出，介质支撑层厚度能够影响低散射频带的位置。 具体表现在，当d＝2.7mm时，RCS曲线的低散射频带出现在8.75GHz附近，而当d＝4.2mm时，RCS曲线的低散射频带出现在8.5GHz附近。因此， 我们可以通过设置介质支撑层的厚度，改变整个AFSS吸波屏三面角反射 器的低反射频带的位置。
步骤五：已知通过改变AFSS吸波屏的偏置控制电流可以控制AFSS 的对入射电磁波的散射强度，并且吸收峰的带宽可以达到GHz量级，吸收 衰减幅度可以达到20dB。该步骤从信号的层面对其原理做进一步说明。
当雷达发射LFM信号照射至AFSS吸波屏时，其回波信号的频谱R(f) 可以表示为
R(f)＝S(f)×A(f) (1)
其中，S(f)表示入射LFM信号的频谱，A(f)表示AFSS吸波屏的频率响 应。
当AFSS吸波屏受到一固定不变的偏置电流控制时，其频率响应A(f) 保持不变，则经过AFSS吸波屏间歇调制的信号特性可以简单的由公式 (1)得到。假设AFSS吸波屏呈现最大吸收幅度时的控制偏置电流为 Imax，当偏置电流在整个入射脉冲时间内，在Imax和零电流状态间不断周期 性的切换时，则AFSS吸波屏工作于间歇散射状态。
为详细阐述AFSS吸波屏间歇散射基本原理，假设AFSS吸收效果最 佳时控制偏置电流为Imax，吸收带宽为其中fA为吸收峰 的中心频率，BA为吸收峰的带宽，吸收峰带宽内的反射信号衰减深度定义 为LA，则A(f)示意图可以由图9表示。
AFSS吸波屏的频率响应函数A(f)在脉冲照射期间随控制电流的变化 不断变化，对于反射信号的影响表现为幅度调制的效果，即
r(t)＝s(t)a(t)＝LAs(t) (2)
其中，r(t)表示AFSS吸波屏的反射信号，s(t)表示入射信号，调制信号 a(t)如图10所示。
当AFSS吸波屏工作于间歇散射状态时，其偏置电流不再保持Imax不 变，而是在整个入射脉冲时间内，控制电流在Imax和零电流状态间不断周 期性的切换。相应的，调制信号a(t)的幅度也在LA和1之间不断转换。假 设重复周期内控制电流保持在0的时间为t0，保持在Imax时间为tA，则重 复周期TA等于t0+tA。相应的调制信号a(t)可由图11表示。
结合间歇采样干扰的原理，即可实现多种干扰样式。
Claims (3)
1.一种电控可调的三面角反射器，其特征在于：三面角反射器由三个正方形面组成，具体是由三块AFSS吸波屏正交拼接而成；其中，AFSS吸波屏是一种三层结构，由AFSS层、介质支撑层和金属底板由内至外依次叠加而成；其中，AFSS层由FSS介质基底和周期整齐排布的领结型FSS单元组成，在竖向串联的各FSS单元间焊接PIN管，使其具备电控可调的特性。
2.根据权利要求1所述的一种电控可调的三面角反射器，其特征在于：三块AFSS吸波屏的介质支撑层厚度是非一致的，通过设置所述介质支撑层的厚度，改变整个三面角反射器的低反射频带的位置。
3.根据权利要求1所述的一种电控可调的三面角反射器，其特征在于：所述的介质支撑层的厚度范围为1～10mm。
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