基于超材料的RCS增强器设计

张泽奎，王东红，雷忆三，王 蓬，赵亚娟，张 榕

(1.电磁防护材料与技术山西省重点实验室，山西 太原 030006； 2.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030006)

基于超材料的RCS增强器设计

张泽奎1,2，王东红1,2，雷忆三1,2，王 蓬1,2，赵亚娟1,2，张 榕1,2

(1.电磁防护材料与技术山西省重点实验室，山西 太原 030006； 2.中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西 太原 030006)

针对传统的金属面角反射器结构形式固定、重量大的问题，提出了利用超材料结构代替金属面的设计方法。仿真结果表明，与同等尺寸的双面角RCS增强器相比，超材料RCS双面角增强器的RCS增强了2 dBsm。而与同等尺寸的金属三面角反射器相比，超材料三面角反射器同样具有良好的性能。因此，可以在雷达系统的性能检验和试验验证过程中，利用超材料RCS增强器代替传统金属面角反射器，达到增强RCS强度和减轻角反射器重量的目的。

超材料；雷达反射截面；微带贴片；回波增强

0 引言

随着信息化技术的不断发展，各种新技术的不断应用对雷达系统的生存构成了极大的威胁。雷达作为现代战争中不可或缺的一部分，发挥着至关重要的作用，其是否能有效地侦测到地方目标，直接影响着战争的成败[1]。目标的雷达反射截面(RCS)是影响雷达对该目标侦测距离的一个重要指标[2]，地方目标的RCS越小，雷达越不容易探测到该目标。然而对己方小目标的侦测跟踪则希望其RCS尽可能大，从而使得雷达能做出有效的判断。此外，在非战争期间，雷达系统的试验和军事演习中[3]，不可能有真正的目标用来验证雷达系统的性能，需要通过RCS增强器来模拟真正目标的雷达反射特性，从而起到检验武器的性能和降低雷达系统研制验证成本的目的[4]。

RCS增强器按照激励方式分为有源和无源两大类。有源回波增强器是由雷达信号接收系统和发射系统组成的一种宽频带的应答转发器[5]。其主要依靠自身电源发射回波。相对于有源RCS增强器，无源RCS增强器本身不带有电源，只有等雷达波照射后才能反射回波，也叫被动式RCS增强器。常用的无源RCS增强主要包括3类：角反射器、龙伯透镜和微带贴片阵列[6]。无源反射器的主要功能是把雷达所辐射的平面波在一定的空间角范围内聚集，并且沿着雷达波照射的方向反射回去[7-8]。相对于角反射器和龙伯透镜，微带贴片阵列RCS增强器具有明显的优势，如可共形、成本低、体积小和使用方便等，尤其适用于小目标飞行器上[9]。角反射器应用具有悠久的历史，美国人就曾利用月球上放置的角反射器来计算地月之间的距离，精确度小于10 m，取得了很好的效果。英国于1985年9月展出的DLF-1橡皮鸭反导弹假目标，由可充气的八面体框架和嵌入框架内的八面体角反射器构成，在自由空间内9 GHz情况下测量有效雷达散射截面为2 060 m2，可用来模拟真实的大目标，从而保护己方目标[10]。

本文研究了利用超材料提高目标的RCS的原理，研究了超材料角反射器的性能。结果表明，超材料结构具有改变反射波方向的特性，与传统的金属双面角反射器相比，超材料双面角反射器的RCS增大了约1.5 dBsm；与同等尺寸的金属三面角反射器相比，超材料三面角反射器同样具有良好的性能。

1 设计原理

超材料增强RCS的原理主要是通过改变反射波的相移量来实现的，其中通过改变每个单元的结构参数来改变相移量是最普遍也是最简单的方式。常用的单元类型主要有加载传输线型单元、尺寸可变型单元、旋转型单元和槽缝型单元四大类。其中加载传输线型单元改变雷达反射波的相位是最早采用的微带贴片形式，由尺寸固定的矩形或其他形状的贴片和与其相连的一段终端开路的微带线构成，贴片结构如图1示。

图1 几种典型的加载传输线型单元

当传输线和微带贴片之间达到良好的阻抗匹配时，微带贴片接收到的电磁波将完全进入传输线，由于传输线末端处于开路状态，将形成全反射。再次进入微带贴片的电磁波将形成二次辐射，二次辐射的电磁波和入射波之间存在一定的相位延迟，通过改变传输线的长度，可以控制该相位延迟量的大小，从而达到控制反射波方向的目的[11]。

对于超材料RCS增强器，单元之间的间距对反射波的大小和方向有着很大的影响。以二元阵列为例，其示意图如图2所示，单元之间的间距和入射电磁波方向之间的关系如下[12]：

(1)

式中，d为单元之间的距离；θ为反射波的方向；λ为工作频点处的波长，为了使在一定长度内排列更多的阵元以及栅瓣出现数量最少[13]，取n=1。

图2 二元阵示意

2 超材料RCS增强器设计

2.1 单元设计

这里选用常用的加载传输线型结构作为单元进行研究，结果模型如图3所示，接地金属板的宽度和金属贴片的宽度相等，皆为W，长度为L，金属贴片为正方形结构。

图3 仿真单元模型

入射波频率为12GHz，选用介质基板的相对介电常数为2.2，厚度h=1.6 mm。根据阻抗匹配理论和微带线理论计算可得，贴片的宽度W=8.4 mm，微带线的宽度W1=0.4 mm，分别计算最佳反射角度为45°和54.7°的模型结构尺寸，为应用于二面角反射器和三面角反射器奠定基础。

由式(1)计算可得，当反射波方向为45°时，单元之间的间距d=17.7 mm。仿真优化得到微带线的长度为L1=4.778 mm此时单元在工作频点处的RCS值和同等尺寸的金属板的RCS对比结果如图4所示。由图4可以看出，与金属面对电磁波的镜面反射相比，超材料单元起到了改变反射波方向的作用，有效地提高了45°角反射波的强度。

图4 最大反射角度为45°时的RCS对比

对于三面角反射器，单元之间的距离由式(1)计算得，d=15.32 mm。当入射波垂直于口径面入射时，入射波与每个面的夹角为35.3°，在仿真入射波的入射角需要偏移54.7°。仿真优化得到当微带线的长度为L1=4.8 mm，单个单元在54.7°的回波最大。仿真结果与同等尺寸的金属相比，其RCS在工作频点处的结果如图5所示。由图5可以看出，通过合理设计，反射波的方向可以得到一定的调节，达到理想的值。

图5 最大反射角度为54.7°时的RCS对比

2.2 二面角设计

将得到的反射波最大方向为45°的单元组成4×4的阵列，作为二面角反射器的反射面，结构如图6所示。此时该种结构的RCS和同样尺寸大小(70.8 mm×70.8 mm)的传统金属二面角反射器的RCS对比结果如图7所示。可以看出，利用该结构得到的值为0.25 dBsm，比传统的二面角反射器提高了2 dBsm，相当于反射面积提高了60%左右。利用超材料作为二面角反射器的反射面，具有很小的效果和一定的实用价值。

图6 超材料二面角反射器

图7 二面角RCS结果对比

2.3 三面角设计

从上述仿真结果可以看出，使用带有微带线的贴片阵列替换传统的金属板组成的二面角反射器，能增大回波的强度，提高RCS的值。接下来将该结构应用于三面角反射器，研究其是否仍具有同样的效果，以便用该三面角反射器组成阵列，研究其实际使用价值。

基于最大反射波方向为54.7°的单元结构设计的三面角反射器如图8所示，反射面的边长为100 mm，两侧的贴片阵列结构方向的设置是为了与电场的方向一致，即极化一致。计算得到两侧的单元旋转18.5°时，与电场的极化方向一致性最好。接下来对该模型进行优化设计，主要优化的参数有微带线的长度、贴片单元之间的距离和两侧单元的旋转角度，通过仿真优化得到最优的RCS值如图9所示。由图9可以看出，优化后其RCS值得到了明显的提高，基本和金属面三面角反射器的RCS值相等(略小0.17 dBsm)。同样可以看出，将超材料应用于三角面反射器同样可以取得很好的效果，说明了设计的正确性。

图8 超材料三面角反射器

图9 三面角RCS值结果对比

综上所述，利用超材料结构可以控制反射波反射方向的特点，将超材料结构替换传统的金属角反射器反射面，将进一步提高其雷达反射截面，尤其是对于二面角反射器，效果更加明显。

3 结束语

本文在传统二面角反射器和三面角反射器的基础上，用超材料替代传统的金属面，研究其雷达反射特性。可以看出，超材料结构能有效地提高传统角反射器的雷达反射截面，同时达到减轻角反射器重量的目的。但是超材料结构的频带较窄，这必然会影响到超材料角反射器的工作带宽，而且该结构的角反射器反射波的反射角度具有一定的限制性，如何扩大反射角度还需要进一步的研究。对于一些需要跟踪的己方小目标或者在雷达系统试验验证过程中靶标的模拟，可以利用该超材料角反射器。因此，超材料角反射器的研究具有一定的理论和应用价值。

[1] 方学立,张 强.有源相控阵雷达——机载火控雷达的发展方向[J].现代军事,2006(12):54-56.

[2] 柴 刚,陆益敏,陈晓明.角反射器在海军中的战术使用[J].舰船电子对抗,2006,29(5):11-14.

[3] 李建超,高 明,苏俊宏.机载角反射器阵列设计[J].应用光学,2011,32(5):835-839.

[4] 张连仲,王炳如,陈 玲,等.军用雷达技术在现代战争中的应用[J].现代雷达,2008,30(4)：6-9.

[5] 古田岛博,曹铁生.雷达截面可变的龙伯透镜反射器[J].雷达与对抗,1982(9)：47-51.

[6] 王 浩.以色列海军“巫师”角反射器[J].光电技术应用，2008(3):53.

[7] 祝寄徐,裴志斌,屈绍波,等.一种旋转型的角反射器的设计[J].现代电子技术,2013(11):1-4.

[8] 李建超,高 明,苏俊宏.机载角反射器阵列设计[J].应用光学,2011,32(5):835-839.

[9] 尚福财.基于超材料的微带圆极化天线的研究与设计[D].上海：华东师范大学，2013.

[10] 周 辉，李 松，石 岩，等.卫星角反射器的设计[J].光电工程，2005,32(11):25-29.

[11] 张志远，张介秋，屈绍波，等.雷达角反射器的研究进展及展望[J].飞航导弹，2014(4):64-70.

[12] 张 翀,韦 高,许家栋.一种用于回波增强的无源微带阵列[J].科学技术与工程,2010,10(34):8 553-8 557.

[13] 马汉炎.天线技术(修订版)[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000:50.

张泽奎 男，(1989—)，硕士，助理工程师。主要研究方向：天线设计、超材料理论研究及设计。

王东红 女，(1981—)，博士，高级工程师。主要研究方向：电磁防护理论与应用、先进材料理论研究、超材料理论与应用。

A Novel RCS Enhancing Device Based on Metamaterial

ZHANG Ze-kui1,2,WANG Dong-hong1,2,LEI Yi-san1,2,WANG Peng1,2, ZHAO Ya-juan1,2,ZHANG Rong1,2

(1.ShanxiKeyLaboratoryofElectromagneticProtectionMaterialandTechnology,TaiyuanShanxi030006,China; 2.The33rdResearchInstituteofCETC,TaiyuanShanxi030006,China)

For the traditional metal dihedral reflector,its structure is permanent and it has heavy weight.In this paper,a RCS enhancing device based on metamaterial is developed to solve these problems.Through simulating,the RCS based on metamaterials increases by 2 dBsm,compared with traditional metal dihedral reflector of the same size.And metamaterial trihedral corner reflectors also have a good performance.So this metamaterial dihedral reflector can be used in the modern war and communication system to detect the property of weapon,because it can enhance the RCS and decrease its weight.

metamaterial;radar cross section;microstrip;echo enhancing

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.16

张泽奎,王东红,雷忆三,等.基于超材料的RCS增强器设计[J].无线电工程,2017,47(5):67-70.[ZHANG Zekui,WANG Donghong,LEI Yisan,et al.A Novel RCS Enhancing Device Based on Metamaterial[J].Radio Engineering,2017,47(5):67-70.]

2017-02-15

国家国际科技合作专项基金资助项目(2014DFR10020)；山西省青年基金资助项目(2014021020-1)。

O441.4

A

1003-3106(2017)05-0067-04