TWI656354B - Ultra-material waveguide device and method for improving radar system signal-to-noise ratio law - Google Patents

Abstract

一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中超穎材料波導裝置包括：主體內部具有複數個細線，其中複數個細線是平行嵌入於主體內部，且每一細線與細線之間具有間距；底層是貼附於主體下部；以及超穎材料波導裝置在頻率區間讓其等效介電常數為負值，進而使得超穎材料波導裝置產生表面波模態，以與雷達周遭環境支撐之模態做模態匹配。

Description

提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置與方 法

本發明係關於一種波導裝置，特別是關於一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置。

現今高頻地波雷達藉由海水在電磁波的高頻頻段(High Frequency Band：3MHz~30MHz)呈現良導體的特性，進而支撐海水表面波模態，由於此模態是沿著海水表面傳播，因此可以突破地球曲率之限制，偵測到在雷達視距外的目標，尤其是海平面以下的船艦與低空目標，例如航母，以此來提高區域防禦能力並增加早期預警的反應時間。

高頻地波雷達由於操作頻率在30MHz以下，電離層對電磁波呈現全反射特性，因此除了我們想要的地波訊號外，由於雷達天線輻射出的電磁波，逸散至空中打到電離層亦會被反射，形成所謂的天波訊號，當這兩路訊號(天波訊號與地波訊號)同時打到目標時，有可能形成破壞性干涉，導致目標回波訊號不穩定，進而影響雷達偵追性能。

在一些經典的雷達書籍中有提到，為了有效激發海水表面波模態，高頻地波雷達的天線陣列應設置於岸邊，且越靠近海面越好，然而實際工程考量(包含維修部屬便利 性、海水腐蝕等因素)，高頻地波雷達的天線位置往往離海面仍有一段距離，導致海水表面波激發效果不彰，進而影響高頻地波雷達性能；另外，一般地波雷達部屬的岸邊地形(例如沙灘)，其地形材料的介電常數(dielectric constant)皆為大於0的正值，因此地形的導波模態皆為一般介質波導(dielectric waveguide)的基模(fundamental mode)，其模態能量大部分皆集中於介質內部，以沙灘為例，則集中於沙層內部，然而海水的表面波模態其能量幾乎皆集中於海平面上方，因此沙灘的導波模態與海水的導波模態，其模態匹配(mode matching)程度不佳，因此從地波雷達天線輻射出來的電磁波，很少會順利轉換成海的表面波模態，明顯減少地波雷達的訊號強度與偵測能力，加上沒有轉換成海的表面波的電磁波將逸散至空中，一旦被電離層反射，又會形成干擾源，進一步惡化雷達系統的信雜比。

且在2011年，法國研究團隊發表一篇會議論文，是採用釘床立體結構放在海平面上方，增強表面波，且天線直接放置於海平面上方，然而此技術還有許多缺陷，並未探討高頻地波雷達於傳輸係數、信雜比、天線逸散功率等訊息。

因此目前極需發展出一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，進而提高雷達系統的信號-干擾-雜訊比與信號雜訊比(信雜比)與效能，並降低電離層反射干擾，增加雷達的偵測距離與目標偵追穩定度。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明提出利用超穎材料波導，作為雷達系統的天線輻射模態與海水表面波模態之過渡結構，透過模態匹配，進而提高雷達系統的信雜比與效能。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該超穎材料波導裝置包括：一主體，該主體內部具有複數個細線，其中該複數個細線是平行嵌入於該主體內部，且每一該細線與該細線之間具有一間距；一底層，該底層是貼附於該主體下部；以及該超穎材料波導裝置在一頻率區間讓其等效介電常數為負值，進而使得該超穎材料波導裝置產生一表面波模態。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該表面波模態與一海水表面波模態進行模態匹配，進而達到提高信雜比。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該主體的材質為玻璃纖維、混凝土或木頭之其中一種。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該複數個細線其材質為銅或金之其中一種。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該複數個細線的寬度為0.4cm至40cm。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該間距為0.2m至20m。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該頻率區間為5MHz至15MHz。

本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該底層的材質為銅或金之其中一種。

一種利用申請專利範圍第1項該超穎材料波導裝置來提高雷達系統信雜比的方法，其包含：利用該超穎材料波導裝置用於貼附該雷達系統的一第一接收/發射裝置，並利用該第一接收/發射裝置用於發射一功率；該雷達系統的一第二接收/發射裝置設置於一海水表面，其中該第一接收/發射裝置與該第二接收/發射裝置之間具有一距離，而該第二接收/發射裝置用於接收該第一接收/發射裝置發射的該功率；以及該功率根據該超穎材料波導裝置產生該表面波模態與一海水表面波模態進行模態匹配，進而提高該功率的信雜比。

本發明的該超穎材料波導裝置來提高雷達系統信雜比的方法，其中該表面波模態與該海水表面波模態進行模態匹配，進而降低該雷達系統的天線之平均逸散功率。

透過本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，基於超穎材料波導裝置作為雷達系統的天線輻射模態與海水表面波模態之過渡結構，透過模態匹配，進而提高雷達系統信雜比與效能，並降低電離層反射干擾，增加雷 達系統的偵測距離與目標偵追穩定度，另外本案的超穎材料波導裝置能具有高隱蔽性、且成本較低以及有效降低其雷達系統的天線之平均逸散功率。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

1‧‧‧主體

2‧‧‧底層

3‧‧‧細線

4‧‧‧海水表面

TX‧‧‧第一接收/發射孔徑天線

RX‧‧‧第二接收/發射孔徑天線

第一圖係為本發明一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置之示意圖；第二圖係為本發明超穎材料的等效介電常數之示意圖；第三圖係為本發明超穎材料波導的導波模態曲線之示意圖；第四圖係為本發明一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置的模擬場景之示意圖；第五圖係為本發明模擬場景的信雜比增益因子與傳輸效率之示意圖；第六圖係為本發明平均逸散功率之示意圖；第七圖係為本發明超穎材料波導裝置的另一型態模擬場景的信雜比增益因子之示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

請參閱第一圖所示，為本發明一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置之示意圖。如圖一所示，超穎材料波導裝置是由主體1與底層2所組成，而主體1內部具有複數個細線3，其中複數個細線3是由主體1的Y軸方向以平行的方式嵌入於主體1內部，其中在每一細線3與細線3之間具有間距d，而間距d為0.2m至20m之其中一間距，以及每一細線3具有一寬度w，其寬度w為0.4cm至40cm之其中一寬度，另外主體1的材質為玻璃纖維、混凝土或木頭之其中一種；而底層2是貼附於該主體1的下部，其中底層2與複數個細線3的材質為銅或金之其中一種，另外，雷達系統搭載超穎材料波導裝置並於河岸邊或海邊架設時，因其複數個細線是嵌入於主體之中，並不是裸露於主體之外，因此具有良好的隱蔽性，而上述所述超穎材料波導裝置的長度、間距與材質不應本次實施例而有所限定。

其中，超穎材料波導裝置的等效介電常數的計算公式為：該表示為超穎材料波導裝置的等效介電常數並且可以表示 為超穎材料波導裝置在設計上的非等向性，其中ε _x 、ε _y 與ε _z 則分別表是為超穎材料在於X、Y與Z軸方向上的等效介電常數，另外ε _y 的計算公式為：

ε _x =ε _z =ε _h 而ε _h 為複數個細線3嵌入於超穎材料波導裝置的主體1之介電常數，k ₀為真空中的波數，其數值等於電磁波角頻率除於光速，k _p 為等效電漿波數，β為沿著複數個細線3延伸方向傳播的波數，d為複數個細線3之間的間距以及w為複數個細線3的寬度，其中複數個細線3是由主體1的Y軸方向以平行的方式嵌入於主體1內部，因此超穎材料在於X軸方向與Z軸方向上的等效介電常數ε _x 與ε _z 是等於複數個細線3嵌入於超穎材料波導裝置的主體1之介電常數ε _h 。

接著請參閱第二圖所示，而第二圖是根據第一圖的一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置之示意圖再進一步說明超穎材料的等效介電常數之示意圖。如第二圖所示，透過適當設計該超穎材料波導裝置的結構參數，其結構參數為複數個細線3的寬度與間距以及主體1之介電常數， 可以讓其超穎材料波導裝置的等效介電常數在頻率為5MHz至15MHz區間的等效介電常數ε _real 實部與ε _imag 虛部為負值，進而使得超穎材料波導裝置存在一種表面波模態，只要再配合模態匹配的技術，該表面波模態與一海水表面波模態進行模態匹配，因此利用此超穎材料波導裝置，取代岸邊地形例如：沙灘，進而作為將雷達天線輻射模態轉換成海的表面波模態的一種過渡結構，進而達到提高信雜比。

再接著請參閱第三圖所示，而第三圖是根據第一圖的一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置之示意圖再進一步說明超穎材料波導的導波模態曲線之示意圖。如第三圖所示，4m-thick CB-USM slab為超穎材料波導裝置其主體1具有4公尺厚度以及其底層2為銅或金之其中一種，而4m-thick CB-sand slab為具有4公尺厚的沙層，且其沙層底部亦貼覆金屬片，另外，Light Line則為電磁波在真空中傳播時滿足的頻率-波數關係；在一較佳實施例中，當雷達系統搭載4m-thick CB-USM slab的超穎材料波導裝置之過渡結構與雷達系統搭載4m-thick CB-sand slab的4公尺厚的沙層之過渡結構，進過解非線性方程的Levenberg-Marquardt method計算，其兩者搭載方式的過渡結構於頻率-波數關係來說，雷達系統搭載4m-thick CB-USM slab的超穎材料波導裝置之過渡結構較來的接近於電磁波在真空中傳播時滿足的頻率-波數關係。

請參閱第四圖與第五圖所示，而第四圖與第五圖 是根據第一圖的一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置之示意圖再進一步說明一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置的模擬場景之示意圖與模擬場景對應的傳輸效率與信雜比增益因子之示意圖。如第四圖所示，提高雷達系統信雜比的模擬場景是由第一接收/發射裝置、第二接收/發射裝置、超穎材料波導裝置與海水表面4以進行模擬雷達系統部屬的場景，其中第一接收/發射裝置與第二接收/發射裝置在模擬場景中其高度設定為24m以及寬度設定為60m的第一接收/發射孔徑天線TX與第二接收/發射孔徑天線RX，以及第一接收/發射裝置與第二接收/發射裝置都可互相發送功率與接收功率；提高雷達系統信雜比的模擬場景的該超穎材料波導裝置的設計為4m-thick CB-USM slab，該4m-thick CB-USM slab為超穎材料波導裝置其主體1具有4公尺厚度以及其底層2為銅或金之其中一種，其中該超穎材料波導裝置的左方上緣與第一接收/發射裝置的下緣緊貼，而該超穎材料波導裝置的右方與海水表面4緊貼，另外，該超穎材料波導裝置與海水表面4在模擬場景中其高度分別設定為4公尺，上述所述的第一接收/發射裝置、第二接收/發射裝置、超穎材料波導裝置與海水表面分別的長度或寬度不應本次實施例而有所限定。

在一較佳實施例中，提高雷達系統信雜比的模擬場景，首先將該超穎材料波導裝置用於貼附該發射裝置，而該第一接收/發射裝置用於發射該功率，而該第二接收/發射裝 置是設置於海水表面4之上，其中該第一接收/發射裝置與該第二接收/發射裝置之間具有一距離，而該第二接收/發射裝置用於接收該第一接收/發射裝置發射的該功率，以及該功率根據該超穎材料波導裝置產生該表面波模態與海水表面波模態進行模態匹配，進而提高該功率的信雜比。

再另一較佳實施例中，請參考圖五所示，提高雷達系統信雜比的模擬場景之方式中，進行模擬雷達系統部屬的場景，首先以CB-USM slab緊貼於第一接收/發射裝置進行雷達系統部屬的場景，當第一接收/發射裝置發射功率為1W時，第二接收/發射裝置則用以接收以CB-USM slab緊貼於發射裝置其模擬方式所接收到的功率，並計算其所接收到的功率並以|S₂₁|(dB)方式呈現；接著在模擬以CB-sand slab緊貼於第一接收/發射裝置進行雷達系統部屬的場景，當第一接收/發射裝置發射功率為1W時，第二接收/發射裝置則用以接收以CB-sand slab緊貼於發射裝置其模擬方式所接收到的功率，並計算其所接收到的功率並以|S₂₁|(dB)方式呈現；在接著模擬只有第一接收/發射裝置與第二接收/發射裝置的第一接收/發射孔徑天線TX與第二接收/發射孔徑天線RX的存在時，在沒有超穎材料波導裝置、沙層與海水時，所得到的接收功率，並計算其所接收到的功率並以|S₂₁|(dB)方式呈現。

因計算後的|S21|(dB)只是單向路徑的傳輸係數，對於實際雷達應用時第二接收/發射裝置為雷達目標，在海水 表面波打到雷達目標後會向後散射，經過同樣的路徑再被第一接收/發射裝置所接收，因此我們定義一個增強信號雜訊比(SNR enhancement)的參數，其增強信號雜訊比的計算方式為以CB-USM slab的|S21|(dB)的兩倍減去CB-sand slab的|S21|(dB)的兩倍，其中兩倍表示訊號來回，因此在頻率8.5MHz-10.5MHz區間，雷達系統的增強信號雜訊比可直接看出提升量皆超過8dB，而雷達系統的增強信號雜訊比所提升的8dB等效為第一接收/發射裝置所發射功率的6倍，其換算公式為8(dB)=10*log10(6)，而且在頻率8.5MH-10.5MHz區間就相對頻寬來說，操作之相對頻寬()可達20%，進而滿足現行雷達系統之規格。

請參閱第六圖所示，而第六圖是根據第四圖的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置的模擬場景之示意圖再進一步說明平均逸散功率之示意圖。在一較佳實施例中，如第六圖所示，雷達系統部屬的場景以CB-USM slab緊貼於發射裝置所模擬的結果，在頻率8.5MHz-10.5MHz頻率區間，其平均逸散功率(Reduced power)可以減少約20%；請參閱第七圖所示，而第七圖是根據第四圖的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置的模擬場景之示意圖再進一步說明另一型態模擬場景的信雜比增益因子之示意圖。在一較佳實施例中，如第7圖所示，可以將超穎材料波導裝置與第一接收/發射裝 置進行架高0-10米，或架遠0-10米，或同時架高與架遠0-10米；超穎材料波導裝置與第一接收/發射裝置於無架高與加遠時，其平均的雷達系統的增強信號雜訊比約有8dB，而當超穎材料波導裝置與第一接收/發射裝置同時架高與架遠0-10米時，在8.5MHz-10.5MHz頻率區間，雷達系統的增強信號雜訊比仍然有一定程度的提高，其平均的雷達系統的增強信號雜訊比仍至少提升約有4dB。

透過本發明的提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，進而提高雷達系統信雜比與效能，並降低電離層反射干擾，提升雷達系統信雜比，增加雷達系統的偵測距離與目標偵追穩定度，另外本案的超穎材料波導裝置能具有高隱蔽性、且成本較低以及有效降低其雷達系統的天線之平均逸散功率，另外本發明的超穎材料波導裝置的運用上可於在高頻頻段(3MHz~30MHz)或微波頻段(300MHz~300GHz)為進行加以運用。

需陳明者，以上所述僅為本案之較佳實施例，並非用以限制本創作，若依本創作之構想所作之改變，在不脫離本創作精神範圍內，例如：對於構形或佈置型態加以變換，對於各種變化，修飾與應用，所產生等效作用，均應包含於本案之權利範圍內，合予陳明。

Claims (10)

1. 一種提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該超穎材料波導裝置包括：一主體，該主體內部具有複數個細線，其中該複數個細線是平行嵌入於該主體內部，且每一該細線與該細線之間具有一間距；一底層，該底層是貼附於該主體下部；以及該超穎材料波導裝置在一頻率區間讓其等效介電常數為負值，進而使得該超穎材料波導裝置產生一表面波模態。
2. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該表面波模態與一海水表面波模態進行模態匹配，進而達到提高信雜比。
3. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該主體的材質為玻璃纖維、混凝土或木頭之其中一種。
4. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該複數個細線其材質為銅或金之其中一種。
5. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該複數個細線的寬度為0.4cm至40cm。
6. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該間距為0.2m至20m。
7. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該頻率區間為5MHz至15MHz。
8. 如申請專利範圍第1項該提高雷達系統信雜比的超穎材料波導裝置，其中該底層的材質為銅或金之其中一種。
9. 一種利用申請專利範圍第1項該超穎材料波導裝置來提高雷達系統信雜比的方法，其包含：利用該超穎材料波導裝置用於貼附該雷達系統的一第一接收/發射裝置，並利用該第一接收/發射裝置用於發射一功率；該雷達系統的一第二接收/發射裝置設置於一海水表面，其中該第一接收/發射裝置與該第二接收/發射裝置之間具有一距離，而該第二接收/發射裝置用於接收該第一接收/發射裝置發射的該功率；以及該功率根據該超穎材料波導裝置產生該表面波模態與一海水表面波模態進行模態匹配，進而提高該功率的信雜比。
10. 如申請專利範圍第9項該超穎材料波導裝置來提高雷達系統信雜比的方法，其中該表面波模態與該海水表面波模態進行模態匹配，進而降低該雷達系統的天線之平均逸散功率。