多級旋轉式角反射器陣列電磁散射特性分析

張義 于群 趙非玉 尹慶國 劉圓圓 馬添瀟

（中國電子科技集團公司光電研究院, 天津 300308）

0 引 言

角反射器是一種利用兩到三面相互垂直的金屬平面組成的無源干擾裝置，利用幾何結構實現對入射電磁波的原路反射，從而能夠在小尺寸下得到較高的雷達散射截面（radar cross section, RCS），達到對敵方雷達探測及制導起到干擾、欺騙及誘偏的目的[1].

單一使用的角反射器受尺寸及入射角度限制，RCS 較小，角度特性較差，難以滿足全角域干擾需求.所以一般都采用多個角反射器組成陣列的方法，以實現提高RCS 及改善角度特性的目的[2].角反射器陣列形式一般有兩種：第一種是通過將多個角反射器組合形成一個整體結構進行使用，例如英國DLF-2“大黃鴨”八象限充氣式角反射器以及DLF-3 二十面體充氣式角反射器[3]；第二種是通過將多個角反射器按照一定的間隔進行布設排布，形成角反射器陣列，用以模擬大型艦船或地面目標等[4-5].本文給出了一種用于地面目標防護的新型結構可變的角反射器陣列設計，并通過仿真建模分析得到了兩種典型角反射器陣列的雷達散射特性，同時對其布設間隔進行了尋優分析.陣列的雷達散射特性可靈活調節，從而產生無源假目標干擾效果，對于防護地面重要目標具有較好的應用價值[6].

1 多級旋轉式角反射器陣列設計

1.1 RCS 特性可調角反射器設計

為了能夠實現角反射器陣列在各角度方向RCS 特性的調節，多級旋轉式角反射器陣列設計采用多個角反射器組成一個陣列單元，每個陣列單元內可通過角反射器的多級旋轉來實現RCS 特性的調節，并通過多個陣列單元間隔排布完成整個陣列布設[7].

角反射器按包含平面的數量主要分為二面角反射器及三面角反射器，其中三面角反射器最為常用，主要包括三角形、圓形以及方形三種基本結構形式.其中方形角反射器的RCS 最大，但主要覆蓋角度較??；三角形主要覆蓋角度較大，但是RCS 較??；圓形則兩方面均較為適中[8].

為保證較高的RCS 以及旋轉結構設計，RCS 特性可調角反射器基于方形角反射器進行改進設計，將角反射器垂直面的兩塊反射板進行若干等分，并通過旋轉來實現對角反射器RCS 特性的調節.每個角反射器主要由反射底板、旋轉式反射葉片及葉片驅動機構組成，如圖1 所示.其中反射底板為固定金屬平板，用于支撐及反射電磁波；葉片驅動結構通過電機傳動控制反射葉片實現旋轉，并完成對角反射器RCS 特性的調節.葉片旋轉角度為0°時，即為普通方形三面角反射器，各角度RCS 最大；當一面旋轉為90°，一面為0°時，則為二面角反射器，對垂直于雙面軸的平面入射電磁波呈現較大的RCS；當兩面旋轉角度均為90°時，各反射葉片為平行狀態，RCS 最低.隨著旋轉角度的變化，角反射器的RCS 特性也會隨之發生改變，并通過多個角反射器進行模塊化陣列組合，即可實現多級旋轉式角反射器陣列構建，并控制整體RCS 特性的改變.

圖1 RCS 可調角反射器結構示意圖Fig.1 Schematic of the RCS adjustable corner reflector

1.2 多級旋轉式角反射器陣列設計

為了有效地將多個RCS 可調角反射器進行組合，角反射器陣列單元采取雙層疊加設計，每層包含三個角反射器并通過陣列旋轉機構連接，如圖2 所示.每個角反射器可繞中心軸進行方位旋轉，并且每個角反射器自身反射葉片也可進行旋轉，通過多級旋轉改變整體RCS 特性.

圖2 多級旋轉式角反射器陣列單元Fig.2 Multistage rotary corner reflector array unit

單個角反射器為了便于運輸和布設，不宜做得過大，所以為了提高整體的RCS 并且在距離上形成多個假目標，可以將多個角反射器陣列單元通過合理的間隔布設成為陣列.針對典型地面目標（重要建筑物、導彈發射車等）的結構特點，線性陣列可對長寬比較大的目標進行防護，圓形陣列可對典型建筑物或長寬比較接近的目標進行防護.構建形成的多級旋轉式角反射器陣列，如圖3 所示.借助旋轉機構可以控制每個陣列單元的角反射器以及角反射器內部反射葉片的旋轉，來調節整個陣列的RCS 特性，形成無源假目標誘騙敵方精確雷達制導武器打擊，實現對地面重要目標的無源防護.導彈視場較小，且來襲時一般距離較近，為了提高防護效果，通常希望導彈來襲時視場內能夠存在兩個以上的角反射器陣列單元，因此陣列布設間隔不宜過大，一般在幾十米范圍以內.

圖3 線性和圓形多級旋轉式角反射器陣列Fig.3 Circular multistage rotary corner reflection array

2 角反射器陣列RCS 特性分析

2.1 角反射器陣列單元RCS 特性仿真分析

角反射器陣列單元的RCS 特性可通過仿真進行分析，對其反射葉片不同旋轉角度情況進行建模及仿真計算.目前，目標RCS 的估算方法主要有縮比模型法、實物實測法、數學分析建模法、軟件仿真計算法等[9-11].其中軟件仿真計算法以其計算精度高、成本耗費低、條件要求少等優點而得到快速發展及普遍應用.CST 三維電磁場仿真軟件是針對目標布局以及RCS 分析而研發的專業電磁場分析軟件，基于縝密的電磁場積分方程理論，以經典的矩量法為計算基礎，采用多層快速多級子算法，在保持精度的基礎上有效提升計算效率[12].此外，CST 軟件將矩量法、高頻分析法以及一致性繞射理論融合入仿真計算之中，因此對于分析目標的RCS 等各類問題特別適合，是當前國內外電磁場研究使用最先進的分析軟件之一.為驗證多級旋轉式角反射器陣列的RCS 特性，利用CST 軟件進行仿真計算，得到其RCS 變化曲線.

首先對角反射器陣列單元進行仿真分析，角反射器邊長為50 cm，其中兩個面均包含10 個反射葉片.設置反射葉片旋轉角度ω 為0°、30°、60°、90°四個工況，入射電磁波設定為遠場平面波，波長設定為30 mm（10 GHz），為國內外常用雷達偵察頻段，垂直極化方式.

葉片旋轉角度ω 為0°、30°、60°、90°時，仿真角反射器陣列單元RCS 特性，并根據可能的導彈來襲方向，選擇俯仰角θ 分別為30°、45°、60°時對陣列單元周向RCS 特性進行分析，結果如圖4～7 所示.

圖4 角反射器陣列單元RCS 特性仿真結果（ω=0°）Fig.4 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit （ω=0°）

圖5 角反射器陣列單元RCS 特性仿真結果（ω=30°）Fig.5 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit (ω=30°)

圖6 角反射器陣列單元RCS 特性仿真結果（ω=60°）Fig.6 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit (ω=60°)

圖7 角反射器陣列單元RCS 特性仿真結果（ω=90°）Fig.7 Simulation results of RCS characteristics of corner reflector array unit (ω=90°)

從圖4～7 仿真結果可以看出，當葉片旋轉角度為0°時，角反射器陣列單元即為雙層六個正方形三面角反射器結構，其周向RCS 特性較強且在每個三面角反射器對稱軸（θ=45°）方向附近RCS 最大，周向平均值為28.7 dBm2，各角度特性較為均勻并呈現周期性變化，但反射特性較為單一.目前導彈抗干擾識別算法不斷發展，普通角反射器的反射特性較固定容易被識別濾除.隨葉片旋轉角度的增大，陣列單元的RCS 逐漸降低，在葉片旋轉至90°、45°俯仰時周向RCS 平均值最大，為5.99 dBm2，但角度特性更加復雜，無明顯規律性.因此角反射器可以通過反射葉片的角度旋轉對其RCS 進行動態調控，相比于傳統角反射器固定的RCS 特性，能夠增加導彈的識別難度，體現了角反射器干擾的靈活性.

2.2 多級旋轉式角反射器陣列RCS 特性仿真分析

分析得到單個角反射器陣列單元的RCS 特性后，假定由六個陣列單元，通過線性排布以及圓形排布兩種方式，組成多級旋轉式角反射器陣列，并通過仿真分析兩種陣列的RCS 特性.假定線性陣列中每個單元的間距以及圓形陣列直徑均為10 m，陣列單元內的葉片旋轉角度均設定為30°，仿真結果如圖8和圖9 所示.

圖8 圓形多級旋轉式角反射器陣列RCS 特性仿真結果（ω=30°）Fig.8 Simulation results of RCS characteristics of circular multistage rotary corner reflector array (ω=30°)

圖9 線性多級旋轉式角反射器陣列RCS 特性仿真結果（ω=30°）Fig.9 Simulation results of RCS characteristics of linear multistage rotary corner reflector array (ω=30°)

由兩種陣列仿真結果可以看出，因每個陣列單元內部三面角反射器在其對稱軸方向RCS 最大，所以陣列整體RCS 較大的方向也與該角度相關.圓形陣列在單元布設的六個角度附近的RCS 特性較高，其他角度呈現連續起伏變化.而線性陣列則在線性排布以及垂直方向附近的RCS 特性最強，其他角度方向也呈現連續起伏變化，仿真結果與陣列方式符合性較好.

3 角反射器陣列排布間隔尋優分析

3.1 角反射器陣列排布設計

在實際使用中，通常根據對抗需求，利用大量的角反射器通過多種排布方式組成陣列[13].為了實現對不同重要目標RCS 特性的模擬，提高防護效果，角反射器陣列的排布方式及排布間隔對于整個陣列的RCS 具有重要的影響，進而影響整個陣列對目標的防護效果[14].

本文針對線性及圓形兩種陣列排布方式，對多級旋轉式角反射器陣列的排布間隔進行尋優設計及分析.以線性陣列單元排布間隔以及圓形陣列排布直徑為分析變量參數，角反射器陣列理論上可實現任意排布間隔的布放，但為了簡化計算及對比分析，假定采用六個陣列單元組成陣列結構，陣列各單元排布間隔一致，通過分析兩種陣列在5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 間隔情況下的RCS 特性，且因為對地導彈威脅來襲角度主要為30°～60°[15]，因此針對俯仰分別為30°、45°、60°情況下的周向RCS 平均值仿真結果進行統計.角反射器旋轉葉片角度設定為30°，分析排布間隔對兩種多級旋轉式角反射器陣列RCS 特性的影響.

基于以上假設，構建不同排布間隔的線性及圓形兩種多級旋轉式角反射器陣列模型，并通過CST 仿真軟件對其RCS 特性進行分析.

3.2 角反射器陣列排布間隔仿真及分析

針對5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 排布間隔的兩種角反射器陣列模型，基于垂直極化方式，得到軸向RCS 特性仿真結果.對比不同間隔的陣列周向RCS 特性及其平均值，統計結果如表1 所示.

表1 不同排布間隔角反射器陣列RCS 特性仿真結果Tab.1 Simulation results of RCS characteristics of reflector arrays with different configuration interval

因為在真實戰場環境中威脅來襲方向具有隨機性，所以RCS 平均值更能反映陣列的干擾防護效果.由表1 可知，各排布間隔條件下，陣列均在45°俯仰角度的周向RCS 平均值最大，這是因為陣列內部三面角反射器的對稱軸在45°方向，這也是角反射器RCS 最大的方向.并且隨著排布間隔的增大，線性及圓形兩種多級旋轉式角反射器陣列的RCS 特性不斷變化.考慮到仿真計算量及篇幅限制，本文對排布間隔的分析范圍相對有限，通過對比分析得到，在本文中選擇的5～30 m 排布間隔范圍內以及設定的計算條件下，線性陣列的平均RCS 最大為16.80 dBm2，此時單元間距為5 m；圓形陣列的平均RCS 最大值為21.13 dBm2，此時單元間距為20 m.

4 結 論

本文從角反射器陣列對地面重要目標的防護需求角度出發[16]，為了提高角反射器陣列RCS 特性的靈活性，基于可旋轉葉片設計了一種RCS 特性可調角反射器結構，并利用六個該角反射器結構組成角反射器陣列單元，通過CST 電磁仿真軟件對葉片不同旋轉角度情況下陣列單元的RCS 特性進行了分析.此外設定了由六個角反射器陣列單元組成的線性及圓形多級旋轉式角反射器陣列結構，對整個陣列不同俯仰角度的周向RCS 特性及5～30 m 的排布間隔進行了研究分析.多級旋轉式角反射器陣列的RCS 靈活可變，為地面重要目標的末端防護提供了一種新思路.