X波段标签式雷达反射器的设计

摘 要：提出了一种用于雷达目标监测的新型标签式雷达反射器的设计方法，该方法在结构上采用在金属贴片上开L型缝隙的方式来增强其交叉极化响应。文章介绍了交叉极化项雷达散射截面的概念，给出了该类型标签式雷达反射器在全波电磁仿真软件（HFSS 13.0）上的散射特性和仿真结果。最后利用三维电磁仿真平台（FEKO 5.5）将最终形式的标签式雷达反射器阵列置于全尺寸的汽车模型前窗之上进行建模仿真，从而验证了其有效性和实用性。

关键词：雷达散射截面；交叉极化；雷达反射器

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）01-0034-03

0 引 言

雷达反射器被广泛应用于通信和雷达系统。现有的无源雷达反射器主要有角反射器和龙伯透镜。它们的共同特点是体积大、结构复杂，不便于做成标签形式。由此出发，本文提出了一种用于雷达目标监测的无源标签式雷达反射器的设计，其结构上采用在金属贴片上开L型缝隙的方式来增强其交叉极化项雷达散射截面。该标签式雷达反射器能够对特定频率范围内的雷达波束形成较强的反射。另外，由于在设计中综合了交叉极化的理念，所以极大程度地提高了反射回波与复杂背景散射场的区分度，增强了雷达对被安装目标探测和识别的能力。

该标签式雷达反射器工作于7.5 GHz，研究了它的交叉极化散射特性和阵列排布形式，并将最终形式的L缝隙贴片阵列置于全尺寸汽车网格模型的前窗之上进行建模仿真，比较了安装前后其交叉极化项雷达散射截面的变化，从而验证了该标签式雷达反射器的有效性和实用性。

1 交叉极化项雷达散射截面

雷达散射截面（RCS）被用来定量表征目标相对于雷达入射波的散射强度，其大小与目标的形状、材料、表面结构、入射波频率和收发天线的极化匹配度等参数紧密有关。共极化（Co-polarized）响应指发射和接收天线的极化角度相同，而交叉极化响应（Cross-polarized）指发射和接收天线在极化角度上正交，交叉极化响应所对应的雷达散射截面，称之为交叉极化项雷达散射面（Cross-polarized RCS）。在微波频率下，大多数被监测目标都有着较强的共极化响应，但交叉极化响应却很低。物体的棱边和夹角在受到电磁波照射时，虽可以激发出交叉极化的回波，但却并不足以使其与复杂的背景散射场区别开来。所以设法增强目标的交叉极化响应，有助于提高雷达对目标的探测和识别能力。

2 L型缝隙贴片的散射特性

经典雷达理论提及，当导线或者导带的尺寸接近入射波的半波长时将发生谐振。此时，导线或导带上的感应电流达到最大值，同时其表面电流的散射也将达到最大值。文献[1]提出了一种L型金属导带结构及其阵列。表面结构如图1所示。

图1中的单臂长度L接近于1/4入射波波长，宽度较窄，当分支之一被特定极化的雷达波束照射时，表面将产生感应电流，因导体上电流的连续性，另一分支也将激励起电流并产生交叉极化的散射场。文献[2]在保持振子L型金属导带基本结构不变的情况下，在分支中嵌入贴片电感，成功缩短了单臂尺寸。

为了更大程度增强目标的交叉极化响应，本文提出了一种L型缝隙贴片的设计，即在正方形金属贴片上开L型缝隙，其基本结构如图2所示。

图2中，正方形金属贴片的边长L1接近于半波长，缝隙长度L2接近1/4个波长，宽度较窄，所以贴片在受到特定频率的雷达波照射时，将发生较强的谐振，且由L型缝隙所激发的交叉极化响应显著区别于背景散射场。

3 仿真和结果分析

3.1 贴片结构和阵列排布的优化

HFSS是基于有限元法（FEM）的全波电磁仿真软件，能够对任意三维结构的电磁场进行分析计算。文献[6]指出，在对电小尺寸的目标进行电磁散射仿真时，HFSS有着较好的精确度。图3给出了L型金属导带和L型缝隙贴片的交叉极化项RCS在HFSS 13.0上的仿真结果对比。

从图3中可以看出，相对于L型金属导带，L型缝隙贴片的交叉极化项RCS有着明显提升，当频率为7.5 GHz时，交叉极化项RCS提升约4.9 dB。

为了更进一步增加L型缝隙贴片的交叉极化响应，同时不影响其散射场的极化特性，我们提出了一种交叉式三行三列的阵列结构，贴片参数和贴片之间的距离经过HFSS 13.0软件进行优化。同时为了在固定的面积内集成更多的贴片，对贴片进行了切角处理。阵列结构如图4所示。

图5中，K是入射电磁波矢量方向，η是极化角度。入射波的极化角度由标签的安装位置确定，必须保证缝隙的一个分支平行于入射波的极化方向，以得到较大的感应电流。

图6所示是L型缝隙贴片阵列与同尺寸金属平板的交叉极化项RCS仿真结果对比。

由图6可见，与同尺寸金属平板相比，L型缝隙贴片阵列的交叉极化项RCS更加突出。当Theta等于0°时，交叉极化项RCS提升最大，可以达到64.3 dB。

交叉极化项RCS的仿真结果

3.2 全尺寸汽车模型仿真

三维电磁仿真平台（FEKO 5.5）结合了多种精确计算方法，如矩量法（MOM）、快速多级子算法（MLFMM）、高频近似方法物理光学法（PO）、一致性绕射理论（UTD）等，可以方便地处理电磁辐射、散射及电磁兼容问题。文献[7]指出，在对电大尺寸的物体进行电磁仿真计算时，综合考虑计算精度和速度，FEKO是较理想的选择。图7所示是全尺寸汽车网格模型图。

其中汽车尺寸为4 223 mm×1 873 mm×1 865 mm，标签安装于汽车前窗的右手边上角落。利用FEKO 5.5进行仿真计算时，为了在节省时间的同时，尽可能地提高计算精度，本文综合使用物理光学法（PO）和矩量法（MOM）。即：对于标签安装位置（汽车前窗）使用了较密集的剖分方式，采用MOM计算；而对于汽车剩余部分，剖分尺寸相对较大，可采用PO计算。其仿真结果如图8所示。

从图中得出，安装L型缝隙贴片阵列之后，机动车的交叉极化响应得到了极大程度的提高，当Theta等于0°时，交叉极化项RCS提升达54.6 dB，从而验证了该类型标签式雷达反射器的有效性和实用性。

4 结 语

本文研究了一种工作于7.5 GHz的标签式雷达反射器的设计。通过在正方形金属贴片上开L型缝隙的方式，大幅提升贴片的交叉极化响应，增强雷达对被安装目标的探测能力。同时，该类标签式雷达反射器不仅具有结构简单，成本低廉等特点，而且其阵列尺寸接近于汽车免检标签大小，适合在交通工具上使用。

参 考 文 献

[1] 官伯然，王东. 无源双极化标签式雷达目标及其应用[J] .电波科学学报， 2010（2）：307-312.

[2] GUAN Bo-ran， YANG Fan. An X-band compact radar reflector tag [C]// Proceedings of 2011 International Conference on Electronics， Communications and Control. Ningbo， China： ICECC， 2011： 1875-1877.

[3] 徐朴. 单站雷达系统的极化匹配系数[J].电波科学学报，1999（3）：337-340.

[4] 王被德. 电磁波的极化及其应用[J].电波科学学报，1999（3）：347-356.

[5] LUDWIG AC. The definition of cross polarization [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1973， 21（1）： 116-119.

[6] 王俊鸣. 雷达目标电磁散射特性的仿真研究[J].航天控制，2007（5）：74-78.

[7] 陈德喜. FEKO软件的RCS仿真研究[J].舰船电子工程，2008（9）：125-128.

[8] 张宏波，龚书喜. 分形开槽减缩微带天线RCS[J].微波学报，2006（6）：34-36.