0 引 言
雷达反射器的主要作用是将入射雷达波信号聚焦并使其沿着入射方向原路逆向反射回去,能够极大增强后向散射回波的能量,大幅增加目标的雷达散射截面（RCS）,在雷达电子防御应用中常作为雷达假目标、诱饵,以模拟或覆盖真实目标的目标特性,有效实现反侦察、抗打击等战术目标［1-2］。
常见的反射器包括角反射器、龙伯透镜和回溯天线阵,通过结构设计使不同位置或阵元处的反射波满足相位共轭条件,实现沿入射方向上的回波增强,也叫方向回溯。角反射器是结构最简单、成本最低的雷达反射器［3-4］,由互相垂直的金属面构成的立体角结构,角反射器的单站RCS 均与其边长尺寸的立方正相关,体积较大,只能用于陆地或者水面低速靶船等少数场景中,也可制作成浮空式、充气式防御器材用于空中或水面雷达防御应用［5-6］。针对角反射器回波特性固定的问题,研究者亦提出在角反射器结构中其中一面或多面金属面上加载具有调控功能的超材料来实现对回波相位特征的调控［7-8］。龙伯透镜利用多层介电常数渐变的介质层组成的介质球的折射原理,将入射波汇聚至金属反射面,再沿入射方向反射回去形成强后向散射［9-10］,一般用于隐身飞机的目标特性增强,但其制造成本一般较高,RCS 增强性能有限。
无源Van-Atta 阵列是用等长或长度差为波长整数倍的传输线连接天线阵列中中心对称的两个阵元,使得各阵元接收到的入射波相位与再辐射的反射波相位之和为常数,即满足广义相位共轭条件,使得入射波和反射波的波前完全重合,对任意入射方向的电磁波实现了方向回溯［11-12］。
无源Van-Atta 阵列的RCS 主要决定于接收阵列和发射阵列的增益,必须采用较大的阵列口径才能增加RCS。为增大RCS,可在阵列的每个收发链路上加载放大器,成为有源Van-Atta 阵列,包括单向放大［13］和双向放大［14-15］两种类型。为实现更大的后向RCS,本文在单向放大的有源Van-Atta 阵列中应用高增益放大器实现了小型化的雷达反射器设计。收发天线阵均采用4×4元天线阵,天线阵元采用宽带、宽波束的磁电偶极子天线。为避免发射天线阵耦合到接收天线阵的信号经高增益放大器放大后产生环路自激,在收发阵列中间设计了收发隔离模块,隔离度大于收发链路增益。经实验测试,设计的雷达反射器能实现10 GHz 频率处最大RCS 达到5 240 m2,优于边长1 m 的三角形角反射器。
1 雷达反射器系统设计
为增加Van-Atta 阵列总RCS,可以在阵元对中间加载单向放大器或者双向放大器等两种方法,如图1所示。有源单向Van-Atta 阵中分别有一半天线阵元作接收和发射,理论上在相同的天线阵元数和放大器增益下,单向放大Van-Atta阵比双向放大Van-Atta 阵的RCS 小6 dB。但是实际上为避免天线阵元端口的失配驻波在双向放大器作用下发生往复放大自激,双向放大Van-Atta阵最大可用增益不能高于天线阵元的反射系数（dB）的绝对值,通常不高于20 dB,且带宽很窄,无法应用更高增益放大器增强RCS。相比之下,单向放大Van-Atta阵的最大可用增益不受此限制。
图1 单向放大和双向放大的有源Van-Atta阵列
图2所示为一维无源Van-Atta 天线阵原理图,相邻阵元间相位差为ϕ,每个阵元接收入射波后,通过等长的共轭传输线网络由中心对称位置的另一个阵元辐射出去,这样再辐射的波前等相面就与入射波的波前等相面重合,使得主要反射波沿平行入射方向反射回去,起到增大单站RCS 的目的。
图2 一维Van-Atta天线阵的原理框图
本文采用单向放大的有源Van-Atta 阵列来设计RCS 增强的小型化雷达反射器,原理框图如图3所示,包括收发天线阵1 和3、共轭传输线网络2 和4、收发隔离模块5、高增益放大模块6 和电源模块7 五部分组成。接收天线阵接收任意方向的入射波,每个链路通道接收的信号进入高增益放大模块,被放大后由发射天线阵再辐射出去,等长的共轭传输线网络用来保证反射波前与入射波前的一致性。为避免放大器高增益导致的回路自激,在收发阵列中间必须设计隔离模块。此外,由于每个收发链路通道内采用的放大模块以及与天线单元相连的传输线网络保证了等长度的相位共轭关系,理想的相位共轭条件能保证雷达反射器放大后的雷达回波的相位特征不受影响。然而,在系统设计过程中,各链路之间的相位误差会导致回波等相面的波动起伏,对最终实现的最大RCS 产生一定影响。
图3 雷达反射器系统框图
接收天线阵和发射天线阵的阵列增益分别为Gr和Gt,每一路放大链路的增益为GA,那么该雷达反射器的单站RCS为
可以看出雷达反射器的RCS与接收/发射天线阵列的阵列增益、放大链路增益以及入射波波长成正比。相比之下,提高天线阵列增益需要通过增大阵列规模实现,规模变大2 倍,RCS 只增加3 dB,但会导致反射器体积明显增加,效益很低；而增加放大器增益带来的RCS 增加效果最好,在体积不变的情况下,放大器增益每增加10 dB,则RCS增加10 倍,但是过高的收发链路增益会增强收发阵列间的互耦,导致收发链路自激。因此,必须提高收发阵列隔离度,应高于放大模块增益。对于10 GHz 入射波,若高增益放大模块增益为50 dB,收发天线阵采用阵列增益为15 dB 的4×4 元阵,该雷达反射器的RCS 理论值达到7 161 m2。相比之下,边长1 m 的三角形角反射器在10 GHz 频率下的RCS为4 654 m2。
为实现雷达反射器所需的高带宽、大工作角度,使用带宽覆盖8～12 GHz、3 dB 波束宽度覆盖±45°的磁电偶极子天线来作为收发天线阵列阵元。相较于传统的偶极子天线性能大幅提升,具有宽工作频带、低交叉极化和稳定定向增益等优点［16］。设计的磁电偶极子天线阵元如图4所示,由4 个辐射贴片和1 个馈电贴片构成；馈电贴片采用了多级阶梯状设计增大带宽。
图4 宽带磁电偶极子天线阵元
天线阵元的仿真和实测反射系数和方向图如图5所示。从图5（a）可以看出,设计的宽带磁电偶极子天线的反射系数小于-10 dB 的工作带宽覆盖8～12.4 GHz,相对带宽达到了43.1%,由于材料和加工制备误差,制备的天线阵列的实测反射系数曲线稍向低频偏移。从图5（b）可以看出,该天线在10 GHz 的3 dB 波束宽度超过100°,能够实现宽带宽角覆盖的方向回溯阵列［17］。
图5 宽带磁电偶极子天线阵元
采用磁电偶极子天线阵元组成4×4 元天线阵作为雷达反射器的接收和发射天线阵,两个天线阵设计在同一块基板上,如图6所示。为兼顾阵元间隔离度、阵列增益和最大扫描角度,阵元间距通常控制在0.5λ～0.8λ。当间距过大时,扫描角度超过栅瓣抑制条件后就会出现栅瓣；当间距过小时,阵元间互耦将影响天线阻抗,较小的阵列口径也将减小阵列增益。
图6 收发阵列模型图
为实现雷达反射器的小型化,共基板的收发阵列尺寸为300 mm×150 mm,在这样紧凑的空间上,无去耦措施的收发阵列间隔离度约为40 dB。而要实现更大的反射器RCS 要求放大器增益达到50 dB。为避免收发天线阵的互耦信号经放大后产生环路自激,收发天线阵间应具有足够的隔离度。本文通过在收发天线阵中间区域添加图案化有耗去耦表面,如图6所示。通过优化去耦结构的损耗参数和结构参数将收发隔离度提高到55 dB 以上,有耗去耦表面仅加载在收发阵列间的耦合路径上,不影响天线阵的辐射性能。去耦前后的实测收发隔离度如图7所示。
图7 去耦前后收发天线阵的隔离度测试结果
图8所示为4×4 元天线阵在10 GHz 的仿真扫描方向图,结果表明,天线阵可在±42°波束宽度内实现高于15 dB的增益。
图8 4×4元天线阵在10 GHz的扫描方向图
根据式（1）,放大模块的增益越高,雷达反射器的RCS 越大。因此,放大模块中的放大器需提供高增益,该模块包含16路放大链路,每链路均加载相同的增益为50 dB 的放大器,通过等长传输线连接收发天线阵列中各组中心对称的阵元,16 路放大器总功耗约24 W。对放大链路的增益和相位进行测试。图9所示为其中一个链路的增益及相位测试结果,由于放大器增益较高,测试中加入了40 dB 衰减作为保护,可以看出放大增益曲线在8～12 GHz频带内比较平坦,校准调测试衰减量,在8～12 GHz范围内均实现了50 dB左右的放大增益。
图9 放大器测试结果
2 雷达反射器RCS测试
制备的雷达反射器样机与暗室内测试场景如图10所示。样机的最大尺寸为30 cm。雷达反射器的RCS 测试在暗室环境下完成,通过对比相同测试条件下已知RCS 值的标准金属球的反射回波能量大小,可以得到反射器的RCS 值。标准金属球的RCS可由下式计算:
图10 样机与测试环境
使用两个相邻同向的喇叭天线分别用来发射信号和接收标准金属球和反射器的反射信号,两个喇叭天线连接到矢量网络分析仪上,采用时域门来测量仅由金属球和反射器反射回来的回波能量大小。在矢量网络分析仪上分别读取金属球和反射器对应的S21参数,反射器的RCS可根据式（3）计算:
测试结果如图11所示。在8～12 GHz 范围内,金属球的反射回波S21保持在-65 dB 附近,较为稳定；雷达反射器的S21曲线较金属球高出48.7 dB 左右,由式（3）计算可得雷达反射器的最大RCS 可达5 240 m2,略低于式（1）计算的理论值7 161 m2,原因在于收发天线阵间的互耦一定程度上降低了反射器的最大RCS。要提高反射器的最大RCS,还须进一步提高收发隔离度。反射器在高于11 GHz频带时RCS 下降明显,主要是由天线阵列在高频增益相对较低导致。
图11 测试结果中金属球和反射器的S21曲线
测试了雷达反射器在10 GHz处的单站RCS随方位角变化的结果,如图12所示。其中H 面和E面分别表示雷达反射器在磁电偶极子天线的H 面和E面的单站RCS结果。结果表明,雷达反射器在H 面的3 dB 波束宽度为-39°～35°,E 面的3 dB 波束宽度为-21°～23.6°,说明雷达反射器具有较好的空间波束覆盖能力。
图12 10 GHz处的单站RCS随方位角变化曲线
4 结束语
本文基于单向放大的有源Van-Atta 阵设计了一款新型小型化雷达反射器,通过在收发阵列中加载高增益放大模块以及高隔离度图案化有耗去耦表面,实现了以较小尺寸达到5 240 m2的最大RCS,超过了边长1 m 的三角形角反射器的RCS。这种设计方法仅需对放大模块进行供电,而不需要进行电磁信号的产生和分析处理,本质上是一种“无源”的回波信号增强装置,与角反射器的回溯增强原理类似。本方法实现的雷达反射器具备小型化、可扩展性强等优势。
［1］ 黄巍浩,何思远,张云华,等.靶标雷达特性快速预测与分析［J］.雷达科学与技术,2023,21（4）:375-383.
［2］ 王峰,曹红松,刘鹏飞,等.雷达反射器对火箭靶弹气动特性影响研究［J］.弹箭与制导学报,2022,42（5）:64-72.
［3］ 李武旭.雷达角反射器设计和应用［J］.电子产品世界,2023,30（3）:56-59.
［4］ 李溪,肖开健,周帅文.基于多面角反射器原理的RCS增强器设计［J］.火控雷达技术,2024,53（2）:129-134.
［5］ 张俊,胡生亮,杨庆,等.浮空式角反射体RCS统计特征及识别模型研究［J］.系统工程与电子技术,2019,41（4）:780-786.
［6］ 胡海,张林,张小东.舰载充气式角反射体反导装备发展及运用［J］.国防科技,2018,39（2）:74-77.
［7］ 孙光,王俊杰,邢世其,等.一种具有宽角域调控的非周期时间调制角反射器设计及其雷达目标特征变换方法［J］.中国科学:信息科学,2023,53（12）:2543-2560.
［8］ 周梓萌,王俊杰,庞晨,等.电磁调控角反射器的散射特性研究［J］.电波科学学报,2023,38（6）:921-928.
［9］ 章辉,陈召涛,许盼福.靶机挂载可变RCS 龙勃透镜时的RCS 起伏特性［J］.海军航空大学学报,2023,38（1）:139-144.
［10］ 张洪新,吴东辉,节洪波,等.靶标龙伯球一体化反射器电磁和气动特性融合设计［J］.火力与指挥控制,2022,47（3）:144-149.
［11］ 史小卫,秦铭涓,陈蕾,等.方向回溯天线发展现状［J］.电波科学学报,2022,37（6）:913-924.
［12］ 陈伟,陈蕾,邹林,等.方向回溯阵列的波束指向分析［J］.电波科学学报,2022,37（6）:956-961.
［13］ HAN Kangkang, WEI Gao, ZHANG Chong, et al. A Broadband Active Van Atta Array System for Monostatic RCS Modulation at X-Band［J］. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2020, 30（8）:840-842.
［14］ FARZAMI F, KHALEDIAN S, SMIDA B, et al. Reconfigurable Dual-Band Bidirectional Reflection Amplifier with Applications in Van Atta Array［J］. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques,2017, 65（11）:4198-4207.
［15］ CHUNG S J, CHEN S M, LEE Y C. A Novel Bi-Directional Amplifier with Applications in Active Van-Atta Retrodirective Arrays［J］. IEEE Trans on Microwave Theory and Techniques, 2003, 51（2）:542-547.
［16］ LUK K M, WONG H. A New Wideband Unidirectional Antenna Element［J］. International Journal of Microwave and Optical Technology, 2006, 1（1）:35-44.
［17］ 薛润东.宽角度Van-Atta 天线阵的设计与研究［D］.西安:西安电子科技大学,2020.