引言

雷達反射器被廣泛應(yīng)用于通信和雷達系統(tǒng)?，F(xiàn)有的無源雷達反射器主要有角反射器和龍伯透鏡。它們的共同特點是體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于做成標(biāo)簽形式。由此出發(fā)，本文提出了一種用于雷達目標(biāo)監(jiān)測的無源標(biāo)簽式雷達反射器的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)上采用在金屬貼片上開L型縫隙的方式來增強其交叉極化項雷達散射截面。該標(biāo)簽式雷達反射器能夠?qū)μ囟l率范圍內(nèi)的雷達波束形成較強的反射。另外，由于在設(shè)計中綜合了交叉極化的理念，所以極大程度地提高了反射回波與復(fù)雜背景散射場的區(qū)分度，增強了雷達對被安裝目標(biāo)探測和識別的能力。

該標(biāo)簽式雷達反射器工作于7.5GHz，研究了它的交叉極化散射特性和陣列排布形式，并將最終形式的L縫隙貼片陣列置于全尺寸汽車網(wǎng)格模型的前窗之上進行建模仿真，比較了安裝前后其交叉極化項雷達散射截面的變化，從而驗證了該標(biāo)簽式雷達反射器的有效性和實用性。

1交叉極化項雷達散射截面

雷達散射截面(RCS)被用來定量表征目標(biāo)相對于雷達入射波的散射強度，其大小與目標(biāo)的形狀、材料、表面結(jié)構(gòu)、入射波頻率和收發(fā)天線的極化匹配度等參數(shù)緊密有關(guān)。共極化(Co-polarized)響應(yīng)指發(fā)射和接收天線的極化角度相同，而交叉極化響應(yīng)(Cross-polarized)指發(fā)射和接收天線在極化角度上正交，交叉極化響應(yīng)所對應(yīng)的雷達散射截面，稱之為交叉極化項雷達散射面(Cross-polarizedRCS).,在微波頻率下,大多數(shù)被監(jiān)測目標(biāo)都有著較強的共極化響應(yīng)，但交叉極化響應(yīng)卻很低。物體的棱邊和夾角在受到電磁波照射時，雖可以激發(fā)出交叉極化的回波，但卻并不足以使其與復(fù)雜的背景散射場區(qū)別開來。所以設(shè)法增強目標(biāo)的交叉極化響應(yīng)，有助于提高雷達對目標(biāo)的探測和識別能力。

2L型縫隙貼片的散射特性

經(jīng)典雷達理論提及，當(dāng)導(dǎo)線或者導(dǎo)帶的尺寸接近入射波的半波長時將發(fā)生諧振。此時，導(dǎo)線或?qū)系母袘?yīng)電流達到最大值，同時其表面電流的散射也將達到最大值。文獻提出了一種L型金屬導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)及其陣列。表面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的單臂長度L接近于1/4入射波波長，寬度較窄,當(dāng)分支之一被特定極化的雷達波束照射時，表面將產(chǎn)生感應(yīng)電流，因?qū)w上電流的連續(xù)性，另一分支也將激勵起電流并產(chǎn)生交叉極化的散射場。文獻在保持振子L型金屬導(dǎo)帶基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，在分支中嵌入貼片電感，成功縮短了單臂尺寸。

為了更大程度增強目標(biāo)的交叉極化響應(yīng)，本文提出了一種L型縫隙貼片的設(shè)計，即在正方形金屬貼片上開L型縫隙，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2L型縫隙貼片基本結(jié)構(gòu)圖

圖2中，正方形金屬貼片的邊長Li接近于半波長，縫隙長度L2接近1/4個波長，寬度較窄，所以貼片在受到特定頻率的雷達波照射時，將發(fā)生較強的諧振，且由L型縫隙所激發(fā)的交叉極化響應(yīng)顯著區(qū)別于背景散射場。

3仿真和結(jié)果分析

3.1貼片結(jié)構(gòu)和陣列排布的優(yōu)化

HFSS是基于有限元法(FEM)的全波電磁仿真軟件，能夠?qū)θ我馊S結(jié)構(gòu)的電磁場進行分析計算。文獻［6］指出，在對電小尺寸的目標(biāo)進行電磁散射仿真時，HFSS有著較好的精確度。圖3給出了L型金屬導(dǎo)帶和L型縫隙貼片的交叉極化項RCS在HFSS13.0上的仿真結(jié)果對比。

從圖3中可以看出，相對于L型金屬導(dǎo)帶，L型縫隙貼片的交叉極化項RCS有著明顯提升，當(dāng)頻率為7.5GHz時,交叉極化項RCS提升約4.9dB。

為了更進一步增加L型縫隙貼片的交叉極化響應(yīng)，同時不影響其散射場的極化特性，我們提出了一種交叉式三行三列的陣列結(jié)構(gòu)，貼片參數(shù)和貼片之間的距離經(jīng)過HFSS13.0軟件進行優(yōu)化。同時為了在固定的面積內(nèi)集成更多的貼片，對貼片進行了切角處理。陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 中，L1=22.6 mm，L2=30.5 mm，L3=91.0 mm。整個陣列表面積接近于汽車免檢標(biāo)簽大小。圖 5 所示是標(biāo)簽式雷達反射器的安裝示意圖。

圖4L型縫隙貼片陣列結(jié)構(gòu)

圖5標(biāo)簽式雷達反射器的極化方位圖

圖5中，K是入射電磁波矢量方向，〃是極化角度。入射波的極化角度由標(biāo)簽的安裝位置確定，必須保證縫隙的一個分支平行于人射波的極化方向,以得到較大的感應(yīng)電流。

圖6所示是L型縫隙貼片陣列與同尺寸金屬平板的交叉極化項RCS仿真結(jié)果對比。

由圖6可見，與同尺寸金屬平板相比，L型縫隙貼片陣列的交叉極化項RCS更加突出。當(dāng)Theta等于0。時，交叉極化項RCS提升最大，可以達到64.3dB。

圖6L型縫隙貼片陣列與同尺寸金屬平板的交叉極化項RCS的仿真結(jié)果

3.2全尺寸汽車模型仿真

三維電磁仿真平臺(FEKO5.5)結(jié)合了多種精確計算方法,如矩量法(MOM)、快速多級子算法(MLFMM)、高頻近似方法物理光學(xué)法(PO)、一致性繞射理論(UTD)等，可以方便地處理電磁輻射、散射及電磁兼容問題。文獻［7］指出，在對電大尺寸的物體進行電磁仿真計算時，綜合考慮計算精度和速度，F(xiàn)EKO是較理想的選擇。圖7所示是全尺寸汽車網(wǎng)格 模型圖。

圖7全尺寸汽車網(wǎng)格模型

其中汽車尺寸為4 223 mmX1 873 mmX1 865 mm,標(biāo)簽 安裝于汽車前窗的右手邊上角落。利用FEKO 5.5進行仿真計 算時，為了在節(jié)省時間的同時，盡可能地提高計算精度，本 文綜合使用物理光學(xué)法(PO)和矩量法(MOM)。即：對于 標(biāo)簽安裝位置(汽車前窗)使用了較密集的剖分方式，采用 MOM計算；而對于汽車剩余部分，剖分尺寸相對較大，可采用PO計算。其仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖中得出，安裝L型縫隙貼片陣列之后，機動車的交 叉極化響應(yīng)得到了極大程度的提高，當(dāng)Theta等于0。時，交 叉極化項RCS提升達54.6 dB,從而驗證了該類型標(biāo)簽式雷 達反射器的有效性和實用性。

4結(jié)語

本文研究了一種工作于7.5 GHz的標(biāo)簽式雷達反射器的 設(shè)計。通過在正方形金屬貼片上開L型縫隙的方式，大幅提 升貼片的交叉極化響應(yīng)，增強雷達對被安裝目標(biāo)的探測能力。 同時，該類標(biāo)簽式雷達反射器不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉 等特點，而且其陣列尺寸接近于汽車免檢標(biāo)簽大小，適合在 交通工具上使用。

20211117_619503f63349c__X波段標(biāo)簽式雷達反射器的設(shè)計