雷達角反射器設計和應用

0 引言

雷達產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，測試和驗證過(guò)程需要相應的目標作為工具，在開(kāi)發(fā)階段要開(kāi)展大量的測試和實(shí)驗，其中目標的雷達截面積(Radar Cross Section, RCS) 值是衡量雷達探測性能的重要指標，RCS 值與目標的形狀、尺寸、結構及材料有關(guān)，也與入射電磁波的頻率、極化方式和入射角等有關(guān)，實(shí)際目標的RCS 值，并不是一個(gè)確切的值，不同的姿態(tài)有不同的值，有些目標正面側面RCS值可能相差甚至幾百上千倍^[1]，表1 給出的是幾種常見(jiàn)目標的RCS典型值。為了提取目標，目標的有效反射值一般定義為以某種極化的某個(gè)距離的平均RCS值。真實(shí)的目標有復雜的反射特性，關(guān)于在不同極化和頻率下的有效反射值的測量，形成了一個(gè)既定的研究領(lǐng)域。

由于真實(shí)目標的RCS值的不確定性，在雷達的研究和探測性能的驗證測量中，只能給定不同目標的典型值來(lái)作為衡量依據。

同時(shí)形成雜波的背景是靜止的，雜波的多普勒值約為0，目標是運動(dòng)的，其多普勒值相對于背景雜波突出，據此，可從雜波中提取出目標。

產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中以飛機艦船作為目標，成本高，也受空間飛行等多方面的限制，采用標準的反射器作為實(shí)驗和測試的目標工具，可為開(kāi)發(fā)活動(dòng)提供方便、廉價(jià)的技術(shù)途徑，同時(shí)角反射器的指標特性是可控、可計算的，基于此，可對雷達性能指標量化測試、分析提供支撐。本文針對雷達反射器的應用需求，描述了雷達反射器的原理，指標相關(guān)參數，以及設計計算方法和工程常用的基本構型。

1 功能介紹

雷達反射器是一種被動(dòng)裝置，將入射的電磁能量直接反射回能量源。雷達角反射器基本原理是利用偶鏡原理，由兩個(gè)或3 個(gè)交叉安裝的導電平面相互垂直組裝在一起，形成偶鏡，入射線(xiàn)在其平面多次反射后，形成與入射線(xiàn)相平行的回波。相互垂直的面，具有極高的反射率，因此即使是較小尺寸的反射器也會(huì )產(chǎn)生足夠強的回波^[3]。

雷達角反射器類(lèi)型按面板形狀分有方形、三角形、扇形；按結構形式分有固定式、可拆卸式、混合式；按面板個(gè)數分有兩面反射器、三面反射器實(shí)際應用中，反射器的安裝總是有機械誤差的，不可能保證反射器與入射線(xiàn)的絕對垂直，三面的反射器可保證一定角度范圍入射信號多次反射，在空間形成與入射平行的反射信號，所以在實(shí)際使用中，一般采用三面角反射器。

三面角反射器是一種典型的雷達反射器，經(jīng)常用于校準或測量雷達系統的性能。在使用中它有以下一些有利的特性：

1）可產(chǎn)生遠大于其物理尺寸的RCS 值；

2）大角度范圍的信號反射；

3）角度容差大，場(chǎng)景容易布置；

4）RCS 值確定，容易計算。

同時(shí)也有以下不利的特性：

1）理論計算RCS 值是基于自由空間中的，與周?chē)沫h(huán)境反射體( 如地面) 無(wú)關(guān)；

2）射線(xiàn)入射角與反射面平行時(shí)，RCS下降相當顯著(zhù)；

3）如果一個(gè)反射面向前傾斜，使其最大RCS 方向相對于地面處于一個(gè)淺掠角，那么地面波瓣就會(huì )出現問(wèn)題，降低RCS 計算的準確性；

4）如果反射器被放置的底板與地面平行，那么反射器的RCS 值嚴重減少。

2 相關(guān)要素分析

2.1 反射指標定義

雷達目標反射信號的指標用雷達截面積(Radar Cross Section, RCS) 度量，目標的RCS 取決于目標結構（形狀和材料）、雷達工作頻率、雷達極化方式和雷達觀(guān)測角^[3]。

RCS定義是基于各向同性反射體的投影面積來(lái)表示。即RCS 值為1 m2 的反射是一個(gè)直徑約為1.13 m 的球形導體，在垂直于信號入射方向投影面積為1 m² 的等效反射。

從RCS定義來(lái)看，由于只有中間的一個(gè)小區域，能準確地反射雷達方向的入射能量，形成回波，其他區域的入射信號被反射到空間其他方向，目標的投影只有很小的區域是有效的，如圖1 所示。因此，能夠定向反射入射信號的反射器只需要很小的幾何尺寸就可以有幾平方米的RCS 值^[4]。

圖1 反射示意圖

根據雷達角反射器定義和原理，設計時(shí)須考慮以下3個(gè)方面因素：

1）目標可視面積；

2）雷達信號入射角；

3）可能形成諧振的頻率和尺寸。

2.2 可視面積分析

首先以1 個(gè)相互垂直的二面反射器入手做簡(jiǎn)化分析。如果角反射器的邊長(cháng)實(shí)質(zhì)上大于波長(cháng)，則可根據幾何光學(xué)定律計算投影面積。

兩個(gè)面的情況時(shí)，需要入射線(xiàn)與反射面的棱EF 相垂直，才能形成回波，可視面積等于面AB 在射線(xiàn)垂直方向的投影面積，如圖2所示。當AB 面與入射線(xiàn)夾角為45°時(shí)，投影面積最大，此時(shí)計算公式為：

式中：A_PROJ：投影面積；A_WR：反射面實(shí)體面積。

根據自由空間損失可計算得出RCS值σ ，計算公式為：

式中：A：鏡面反射面積；λ ：雷達波長(cháng)

綜合式（1）（2），可得到二面反射器的RCS最大值σ ，計算公式見(jiàn)式（3）：

2.3 入射角分析

當反射面與入射角度不等于45°時(shí)，部分射線(xiàn)只有1次反射，不能形成有效回波，部分射線(xiàn)有2次反射，形成有效回波，所以有效反射面是小于投影面積的，有效反射面積與投影面積關(guān)系如圖3所示。射線(xiàn)a 經(jīng)2次反射形成有效回波，射線(xiàn)b 只有1 次反射，不能形成有效回波，AB為投影面積，AC為有效反射面積。

根據幾何關(guān)系，可計算反射面與入射線(xiàn)夾角0°<θ<90°時(shí)，有效反射面積A_eff的值為：

RCS值σ 為：

2.4 諧振影響

金屬表面對電磁波的作用就像鏡子一樣，這只是一種簡(jiǎn)化概念，實(shí)際上的反射過(guò)程是金屬表面吸收能量，自我振蕩并再次輻射能量，不同區域的射線(xiàn)反射有不同的路程差，不同的路程差造成不同的相位差，因此當入射角不同時(shí)，回波會(huì )與入射波相疊加造成不同的影響。

與箔條類(lèi)似，反射表面可以與波長(cháng)發(fā)生共振，反射面必須至少是偏振方向波長(cháng)的一半，但是必須兩個(gè)反射面，即角反射器的最小諧振長(cháng)度是一個(gè)完整波長(cháng)。射線(xiàn)通過(guò)完整波長(cháng)角反射器中的共振，最大可以測量到RCS的4倍。反射器受到諧波的影響，有諧振的增益，也有衰減的情況，在一半波長(cháng)（1.5 λ ，2.5 λ …）的奇數倍下，RCS 值減少，當反射器尺寸大于波長(cháng)10倍以上時(shí)，影響可以忽略^[5]。

2.5 機械安裝精度影響

上述分析是基于每個(gè)相鄰面板夾角嚴格為90° 的情況下的結果，實(shí)際的加工制造必然有公差，非常細小的公差也會(huì )影響反射器的實(shí)際效果。使用損壞、裝配誤差、加工精度都可能使夾角不是嚴格的90° ，實(shí)際使用中，也不可能要求其絕對符合理論值，但需要掌握誤差與反射效果之間的變化關(guān)系，以保證反射器的實(shí)際反射效果滿(mǎn)足應用的需求即可。

在邊長(cháng)a 與波長(cháng)λ 比在35、25、15 時(shí)，不同夾角誤差時(shí)所的反射增益值^[6]見(jiàn)表2 與圖4 所示。

3 三面角反射器應用

實(shí)際應用中，反射器的安裝總是有機械誤差的，不可能保證反射器與入射線(xiàn)的絕對垂直，三面的反射器可保證一定角度范圍入射信號3次反射，在空間形成與入射平行的反射信號，所以在實(shí)際使用中，一般采用三面角反射器。

3.1 方形三面角反射器

角反射器反射面由3 塊方形面板組成，每個(gè)面板以相對90° 角安裝在一起，如圖5 所示，因此，幾何投影面積由3 個(gè)分區組成，每個(gè)分區由式（1）計算得出，射線(xiàn)經(jīng)3 次反射，可得出適用于方形三面角反射器的RCS值計算公式，見(jiàn)式（6）。

圖5 方形三面角反射器

3.2 三角形三面角反射器

具有3個(gè)正方形面的角反射器在機械上相對不穩定，因此，大多數情況下，部分表面被簡(jiǎn)化為三角形面，如圖6所示，有效反射面減小，但結構具有較大角度范圍的反射波束寬度，該三角形角反射器的有效雷達橫截面計算公式為^[5]：

圖6 三角形三面角反射器

式中：a：三角反射面棱長(cháng)；λ ：雷達波長(cháng)

類(lèi)似天線(xiàn)-3 dB 波束寬度的概念，這種角反射器-3 dB 反射增益的角度范圍為40° ，因此，8 個(gè)這樣的角反射器所構成立方體，如圖7 所示，可實(shí)現全方位的有效反射^[7]。

該角反射器由12 個(gè)等腰三角形拼接而成，在實(shí)際施工中，使用3 塊尺寸相等的方形板，開(kāi)槽，鑲嵌焊接在一起。這種結構的角反射器的RCS 值可實(shí)現大于反射器機械尺寸500 倍的值^[8]，采用這種反射器，可更方便地在實(shí)驗使用和定量測試。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）