可展收的新型超輕質角反射器設計

宗亞靂 李帥鵬* 馬昕宇 楊癸庚 弓明豪

（1.西北工業大學, 西安 710129；2.西安理工大學, 西安 717048；3.西安電子科技大學, 西安717017）

0 引 言

隨著當前電磁環境越來越復雜，電磁對抗發展越來越快，層出不窮的電磁對抗設備和工具改變了現代化戰爭的形式.在電磁對抗中，發揮關鍵作用的雷達角反射器就是一種有效的無源干擾設備，通過構成虛假目標以達到隱真示假的目的，進而保護重要戰略裝備[1].此外，角反射器還能夠為海上工作人員提供警示的作用，也可應用于地震形變的監測以提高形變監測的精度等方面[2].同時，角反射器具有成本低、頻帶寬、全方位、使用方便、干擾持久、干擾效果明顯等特點，與有源干擾設備相比，角反射器這類無源干擾不存在主動暴露的缺點，干擾手段也越來越多，技術日臻完善.

作為無源器件，角反射器的應用雖然廣泛，但傳統角反射器具有固定的尺寸、體積和較大的質量，其在結構加工完成之后便再難以根據電磁環境的變化而調節自身的散射特性，使用受限.文獻[3]提出了一種新型角反射器，具有一定的空間優勢，但犧牲了一定的俯仰角寬度，也無法實現散射特性的調控.文獻[4]發明了一種可自由調節方位和俯仰的角反射器裝置，但整體結構形式固定.在日漸復雜的應用需求下，兼顧上述散射特性可調和結構可變的問題日趨突出，對輕質量、運載過程中易于收納、服役過程中雷達散射截面積(radar cross-section, RCS)可調的角反射器的需求日益迫切.

為解決上述問題，學者們基于角反射器[5]和超材料技術[6-18]等開展了豐富的研究.文獻[5]從結構可變角度出發，設計了一種反射面葉片可旋轉的角反射器，其中葉片旋轉能夠改變散射特性峰值的位置和方向圖寬度，但缺點是每個葉片獨立旋轉均需要單獨控制，系統復雜且結構尺寸固定.除此之外，還可以通過旋轉角反射器達到散射特性調控效果[7]，從而可以通過其旋轉對雷達的探測造成干擾.當角反射器做旋轉或振動等微小運動時，雷達回波將產生獨特的非線性相位調制效應，則目標圖像將不再容易判斷，如出現模糊和散焦等現象[8].

結合超材料的迅速發展，應用超材料實現對雷達回波重要參數的精確調控技術得到了空前發展[6].文獻[9]設計了一種具有超材料吸波體的新型角反射器，能夠實現不同頻率下相似的RCS 散射特性，從而使雷達無法分辨目標.但其中的超材料吸波體安裝要求較高，對位置精度比較敏感.

文獻[10-12]提出了基于超材料的機械調控或電調控，實現了超寬帶吸收器到反射器的功能切換.文獻[10]通過折紙的伸縮實現了6～16 GHz 內10 dBsm 幅度的調控效果，但該方法的反射狀態需要將表面積增大至吸波狀態的3 倍.文獻[11]基于變容二極管的電容可變提出了一種X 波段頻帶可調諧的超材料吸波，75%的吸收帶寬可以從0.4 GHz 調諧到0.74 GHz，但當應用于高頻時，二極管準確性下降，該方法應用受限.有學者[12]將水與低介電常數的材料混合，利用水在微波頻率下具有頻散介電常數的特性，所提出的超材料能夠實現6.2～19 GHz 寬頻帶吸收功能.此外，可通過改變環境溫度來調節吸收帶寬[12]，該方法通過溫度加熱進行控制，時效性不夠高.引入數字編碼的思想，文獻[13]利用加法規則設計了一種01 編碼超表面，既減少了編碼的個數，又能夠實現靈活調控超表面的遠場散射特性.

在雷達對抗領域中，散射縮減與增強均有不同的應用場景，可分別用來實現隱身與干擾.文獻[14]提出了一種非對稱開口圓環形結構的極化轉換超表面，能夠實現寬頻帶內RCS 的縮減，實現隱身.而文獻[15]提出的基于角反射器的箔條雷達散射特性增強方法能夠實現單根箔條的RCS 增大30 dBsm 以上，實現干擾.雖然目標散射特性縮減與增強都能在對抗中發揮不同的作用，但散射特性調控的相關研究距落地應用還有一定的難度，若能夠實現兩種狀態的隨意切換，即實現調控，將會在雷達對抗中占據極大的優勢.

綜上所述，許多學者提出了新型角反射器和可調控的超材料，實現了特定頻段內的散射調控，適用場景也各不相同.而角反射器因其獨特的散射特性，通過精心設計，可實現寬頻帶和更大的散射特性調控幅度.但現有的一些雷達角反射器或陣列多以金屬實體面為反射面，如圖1(a)，當整體結構一經確定，其較大的質量和過大的體積都為裝載、運輸和使用帶來了很大的困難[16].少部分新型角反射器雖然具有散射特性調控的能力，但普遍具有復雜的結構和龐大的體積[17]，且調控范圍很小[18]，很難滿足對于散射特性的復雜多變要求.

圖1 傳統角反射器結構與超輕質角反射器結構對比Fig.1 Comparison between traditional and ultra-lightweight corner reflector structure

因此，針對傳統角反射器質量大、體積大、結構固定無法實現大幅度散射特性調控的問題，本文提出了一種新型可展收輕質化雷達角反射器設計方法.其可應用于海陸空等場景，依據該方法設計的樣機單元結構示意圖如圖1(b)所示.本文分析了該角反射器單元及其組成陣列的電磁散射特性，提出了RCS 調控方案.最后對調控效果進行了實驗驗證，結果表明該新型角反射器陣列具有輕質化和散射特性大幅度可調的特點.

1 角反射器RCS 分析方法與驗證

1.1 RCS 含義

RCS 是衡量目標散射雷達波能力的重要指標，其大小依賴于目標的幾何形狀、朝向、目標材料等，同時也和入射波的頻率與極化形式等有關[19].一般而言，目標的RCS 可按雷達發射機和接收機是否處于同一位置而分為單站RCS 和雙站RCS.

RCS 能夠反映目標在雷達接收方向反射電磁波的能力，即在單位立體角下，其大小可表示為目標的散射功率密度與目標在雷達接收方向上的入射功率密度之比，如式(1)所示：

式中： σ表示目標的RCS，m2；r表示目標至雷達之間的距離，m；Er表示散射波的電場強度，V/m；Ei表示入射波的電場強度，V/m.

通常，RCS 的單位為dB(dBsm)或m2，其轉換關系為

有關目標RCS 求解的方法很多，如早期的經典解法：幾何繞射理論、物理光學法、彈跳射線法和物理繞射理論等；之后隨著硬件計算性能的提高，又出現了諸如有限元法(finite element method, FEM)、時域有限差分法和矩量法的全波數值分析方法；后續又出現了快速多極子方法等快速算法[20].本文基于全波分析法進行RCS 計算，由于本文重點不在目標RCS 的計算方法上，故不在此展開.

1.2 角反射器單元RCS 分析方法

本文采用FEM 進行角反射器單元的RCS 計算，為驗證仿真計算方法的正確性，將計算結果與理論計算（等效截面法）[21]進行了對比分析.

基于FEM 的全波頻域電磁場求解器HFSS 軟件可用來計算雷達角反射器的散射特性.HFSS 軟件能夠將計算域剖分成有限個不重疊的單元，并結合對應的邊界條件進行計算.在確定雷達角反射器的尺寸和工作頻率后，便可采用該求解器對其RCS 進行計算.對于口徑面邊長為500 mm 的角反射器單元，采用FEM 求解后，得到4 GHz 下角反射器單元雙站RCS 結果如圖2 所示.

圖2 4 GHz 角反射器單元雙站RCS 仿真結果（入射波角度為θ=58°, φ=45°）Fig.2 Simulation results of bistatic RCS of 4 GHz corner reflector unit (incident wave direction: θ=58°, φ=45°)

采用等效截面法的理論公式進行關鍵入射角處的RCS 計算時，將角反射器單元置于如圖3 所示坐標系中，入射波的俯仰角和方位角分別為 θ、φ，則雷達方向的單位矢量r=(rx,ry,rz)可表示為[21]

圖3 角反射器單元位置坐標示意圖Fig.3 Corner reflector unit position coordinate

因此，根據文獻[21]，目標的RCS 可由式(4)表示：

式中，Seff表示等效散射截面積，

a是角反射器單元的棱長，取353.55 mm，l、m和n滿足

利用等效截面法與HFSS 有限元全波分析方法求解的4 GHz 時散射特性對比如表1 所示.

表1 不同方法獲得的最大RCS 及其相應的入射波方向Tab.1 Maximum RCS obtained by different methods and their corresponding incident wave directions

據表1 所得結果可知，對于雷達角反射器單元，利用FEM 和等效截面法所得到的最大RCS 非常接近，誤差僅0.630 2 dBsm，且此時的入射波方向也非常接近.由此可見，本文基于FEM 計算的正確性能夠被等效截面法驗證.同時，也可以看出雷達角反射器能夠形成對來波的強反射，可為后續角反射器陣列和散射特性調控的相關研究做鋪墊.

1.3 輕質化設計

由于傳統角反射器大都由金屬板拼接而成，其本身的質量為角反射器的裝載、運輸和使用帶來了麻煩.因此，為了滿足更高的功能需求，本文提出了新型角反射器，可極大地減輕結構質量，從支撐結構、反射面和連接關節結構等方面出發，創新性地提出了輕質化設計方案，同時還能夠滿足該新型角反射器的散射特性可調控的功能特性.

1.3.1 輕質化反射面

為減輕角反射器質量，本文以金屬絲網代替傳統的金屬反射面.金屬絲網通常有鍍金鉬絲、鍍金鎳絲和不銹鋼絲等，絲徑可低至0.025 4 mm[22]，網孔形狀常見的有圖4 所示的方形和三角形等形式.表2 給出了反射面為不同金屬材質、厚度為0.025 4 mm 時，與不同類型金屬絲網的質量對比情況.

表2 不同材料和類型的反射面質量對比Tab.2 Comparison of reflective surface weights of different materials and types

圖4 絲網結構常見的兩種單元形式Fig.4 Two common cell forms of mesh structure

從表2 可以看出，由鉬金屬做成的實體反射面最重，而具有三角單元的網狀反射面最輕，具有方形單元的網狀反射面稍重于三角單元的網狀反射面.在實體反射面中，由鋁合金做成的實體反射面最輕，但其質量仍約是具有方形單元的網狀反射面質量的11 倍、具有三角單元的網狀反射面質量的26 倍.以上結果表明，網狀反射面在新型輕質化雷達角反射器中的應用非常具有潛力，對于大規模的陣列，其優勢更加顯著.

對于金屬絲網的電性能，不同于傳統角反射器的金屬板反射面，所提出的新型角反射器反射面由金屬絲網構成，當滿足一定條件后，金屬絲網可等效成實體反射面.文獻[23]根據網孔形狀、網孔單元長度l與工作波長 λ的關系提出了等效條件：當網孔是方形且滿足l≤0.05λ，或網孔是三角形且l≤0.08λ時，絲網反射面和實體反射面在電性能方面的差距非常小，可將絲網反射面等效成實體反射面.相比于實體反射面，金屬絲網具有兩個其不可比擬的優勢：一方面是極輕的質量優勢；一方面具有柔性可折疊的特性.其可為后續角反射器的展收設計做鋪墊.在對加工精度、成本和電性能特性等方面綜合考慮后，本文選取了0.05 mm 的不銹鋼絲編織的金屬反射絲網，網孔形狀為方形，網孔直徑為5 mm，將金屬絲網用專用粘貼劑貼附到角反射器骨架上，制作了口徑面邊長為0.5 m 的角反射器單元樣件，以驗證方案的可行性.

1.3.2 輕質化骨架

相比于傳統金屬結構，碳纖維桿在能夠滿足極大減輕質量的條件下還能提供較高的結構強度，也具有耐腐蝕、抗老化、抗沖擊和組裝方便等特點.同時，碳纖維桿加工成本較低，因此，它成為了該新型角反射器支撐結構的不二之選.對于本文設計的0.5 m 雷達角反射器樣件，其支撐骨架結構，包括圖5 所示的支撐桿和上弦桿，均采用了直徑為5 mm 的碳纖維桿.

圖5 輕質化支撐骨架Fig.5 Lightweight support frame

1.3.3 輕質化連接關節

為了實現骨架支撐作用和可折疊展收功能，碳纖維桿之間需要依靠特定的關節結構連接.本文0.5 m 口徑面邊長的角反射器樣件，關節結構選擇了結構強度較大、密度較小的鋁鎂合金材料，其可實現碳纖維桿之間的連接和展收功能.

為了避免上弦桿展開時處于死點，上弦桿之間的展開關節會控制兩端的上弦桿之間留有一定的角度.由于編織而成的金屬絲網具有一定的彈性，在碳纖維桿支撐骨架展開收攏時，金屬絲網反射面也會跟著展開和收縮.

將輕質化反射面、骨架與連接關節裝配，得到該新型角反射器單元裝配實物圖如圖6 所示.

圖6 角反射器單元裝配實物圖Fig.6 Picture of corner reflector unit assembly

2 可展開-收攏角反射器陣列設計

由于單個0.5 m 口徑面邊長的雷達角反射器對RCS 調控的范圍有限，無法滿足工程實踐中對大幅調控的需求，本文將以所提出的新型雷達角反射器為基礎，給出角反射器陣列的構型設計方案，同時給出新型雷達角反射器陣列通過自身狀態的改變而實現散射特性調控的方案.

2.1 角反射器陣列設計

令三角形三面角反射器的口徑面為正三角形，將角反射器單元圍繞口徑面的一個點旋轉，得到由6 個單元組成的正六邊形形式的單層角反射器陣列，為提高角反射器陣列在更大空間范圍內的散射能力，該方案將角反射器陣列設計為對稱的兩層角反射器陣列，且兩層角反射器陣列的口徑面朝向相反，如圖7 所示.

圖7 新型雷達角反射器陣列的構型示意圖Fig.7 The configuration of the novel radar corner reflector array

在確定好角反射器陣列的構型后，設計碳纖維桿和連接關節組成陣列的結構骨架作為支撐結構，如圖8 所示.

圖8 新型角反射器陣列支撐結構裝配圖俯視圖Fig.8 Top view of assembly drawing of novel corner reflector array support structure

加工裝配后的1 m 口徑12 單元的角反射器陣列實物如圖9 所示，整體質量僅有1.325 kg.

圖9 新型可展開-收攏的輕質化角反射器陣列實物Fig.9 The novel type of lightweight corner reflector array with unwrapping and folding function

該新型雷達角反射器陣列的結構指標如表3 所示.

表3 本文設計的輕質化角反射器陣列結構指標Tab.3 The design of lightweight corner reflector array structure index in this paper

由表3 不難看出，本文設計的角反射器陣列在輕質化方面具有突出的優勢，體密度僅為2.498 ×10?9kg/mm3，而金屬絲網作為反射面僅占據整體質量的7.92%；此外，其展開體積為0.325 m3，收攏體積僅有0.004 m3，收納率高達81.25%.極致的輕量化設計和形態可切換功能為該新型雷達角反射器的創新設計和應用提供了極大的優勢和參考價值.

2.2 基于結構展開-收攏的調控方法

在提出的新型雷達角反射器陣列實現極致輕量化的基礎上，本節將對陣列可展開-收攏設計進行闡述，主要包括調控原理、調控方案和調控效果三個方面.

2.2.1 調控原理

所提出的雷達角反射器陣列通過展現出不同的結構形態實現對RCS 的調控.得益于角反射器陣列的可展開-收攏功能，其不同的結構形態可依靠口徑面的展開程度或兩向接頭所連接的兩個上弦桿組成的角度確定，不同的展開程度對來波的散射情況不同.使用步進電機驅動角反射器陣列完成展開-收攏的動作，且可使其處于任意中間形態，不同結構形態具有對電磁波不同的散射特性.因此，控制角反射器陣列的結構形態得到對應不同的RCS，以此關系實現對RCS 的調控.此外，角反射器陣列的輕質化設計也為形態的切換提供了便利.

2.2.2 調控方案

角反射器陣列的反射面均為具有彈性的金屬絲網，當陣列在不同結構形態間切換時，金屬絲網均能夠保持反射面平整狀態，從而減小了雜亂的絲網對電磁波的散射.碳纖維桿在不同結構的連接關節的連接作用下形成了整體陣列的支撐結構，如圖10 所示.當陣列在展收過程中，支撐桿以花盤3 為中心進行旋轉，其旋轉角度決定了陣列的展開程度；每兩個上弦桿之間利用花盤或兩向接頭連接，其中，上弦桿在兩向接頭的連接下能夠完成折疊動作，該動作能夠使角反射器陣列進行展開或收攏；兩向接頭中安裝有彈簧結構，確保了金屬絲網反射面在陣列完全展開狀態下能夠保持平整狀態.

圖10 新型雷達角反射器陣列結構示意圖Fig.10 Schematic of the novel radar corner reflector array

欲實現上述結構的展開收攏，需要步進電機進行驅動.角反射器陣列上下兩端的花盤結構均留有位置以供電機繩穿裝.由于本文所提出的角反射器陣列自身的結構能夠使得其在展開和收攏過程中切換任意結構形態，因此，步進電機可通過對金屬細繩的驅動，進而達到對角反射器陣列的間接驅動，可分為展開和收攏兩個過程.

收攏過程：在步進電機的驅動作用下，金屬細繩收緊拉伸，迫使角反射器陣列收攏，而金屬絲網隨之收攏，陣列口徑面減小，陣列RCS 也隨之減小.

展開過程：步進電機釋放電機驅動繩，角反射器陣列在自身重力和兩向接頭內部彈簧的作用下進行展開，金屬絲網也隨之逐漸展開形成平整反射面，陣列口徑面增大，陣列RCS 也隨之增大.

為防止電機啟停時的沖擊作用，研究對步進電機的正轉與反轉速度規劃，結果如圖11 曲線所示，由于電機配套有可編程運動控制器，既能夠控制電機轉速，又能夠控制電機轉向，因此，該速度規劃曲線可以根據需求而改變.控制電機繩的拉伸程度，以此控制陣列口徑面的展開程度，從而可以得到展開到收攏過程（或逆過程）中的任意結構形態，相應地也能得到任意大小的陣列口徑面.因此，依據角反射器陣列不同的展開程度，形成對RCS 的調控.

圖11 步進電機轉速規劃曲線Fig.11 Stepper motor speed planning curve

2.2.3 調控效果

將新型雷達角反射器陣列實物裝載到實驗機架上，機架起到支撐整個角反射器陣列的作用，如圖12所示，在步進電機的驅動控制下，角反射器陣列能夠按給定模式進行展開和收攏動作，在給定設置好的電機驅動參數后，整個角反射器陣列能夠順利地展開和收攏.

圖12 新型角反射器陣列的三種結構狀態Fig.12 Three structural states of the novel corner reflectorarray

2.3 RCS 調控性能測試

為了驗證該新型角反射器陣列展開收攏的結構變化對RCS 的效果，本文采用時域超寬帶RCS 測量方法對上述1 m 口徑12 單元的角反射器陣列的實驗測試，其原理如圖13 所示.

圖13 時域超寬帶RCS 測量系統Fig.13 Time-domain ultra-wideband RCS measurement system

在步進電機驅動下，可以看出，該角反射器陣列能夠穩定地維持不同的展開收攏程度（不同狀態），以此作為散射特性調控的結構基礎.下面將會給出四種不同結構狀態下的RCS 隨入射波頻率變化的關系，并給出實驗測試的分析.

分別記展開狀態與收攏狀態為狀態1 與狀態2，并給出兩種中間狀態a 和b（以角反射器陣列的兩向接頭所連接的上弦桿之間的夾角分別為135°和90°區分中間狀態a 和b），如圖14 所示，實測結果如圖15～17 所示.

圖14 新型角反射器陣列展開與收攏狀態及中間狀態圖Fig.14 Unwrapping, folding state and intermediate state picture of the novel corner reflector array

圖15 角反射器陣列狀態1 和2 的散射特性Fig.15 Scattering characteristics of corner reflector array in states 1 and 2

由圖15 可以看出：在狀態1 下，陣列為展開狀態，主要呈現出增強反射的特性，多數頻點的RCS 值大于10 dBsm，說明能夠實現增強反射的基礎功能；在狀態2 下，陣列收攏，口徑減小，在絕大多數頻率下具有較低的RCS.對比兩種狀態下的RCS 曲線，其差值在一些頻點處高達30 dBsm.兩種狀態的RCS 測試曲線的結果能夠初步驗證狀態切換可以實現散射特性調控的功能，即通過在狀態1 和2 之間切換，改變角反射器陣列的口徑大小以改變其反射強度，從而調整RCS，實現對來波的調控，且調控幅度較大.

由圖16 可以看出：由狀態a 到狀態b 的結構變換后，角反射器陣列的口徑減小，且后者狀態的大部分頻點下陣列RCS 減??；相比于狀態a，除部分頻點外，狀態b 下具有更低的RCS.因此，在電機驅動下，角反射器陣列口徑可以實現變化.從狀態1 到狀態a、b，再到狀態2，陣列口徑減小，RCS 更低；反過來，RCS 增大；或從中間狀態無規律地展開或收攏，實現對散射特性的控制.

圖16 角反射器陣列中間狀態a 和b 的散射特性Fig.16 Scattering characteristics of corner reflector array in intermediate state a and b

由于該新型角反射器陣列的連接關節為金屬材質，降低了后向散射，導致圖15 中其調控效果在有些頻段不顯著.故本文另設計一款采用樹脂材質連接關節的處于展開狀態的同尺寸角反射器陣列，以降低金屬連接關節對散射的影響，其測試結果如圖15所示，可以看出，更換樹脂材質連接關節后，調控效果得到明顯改善，角反射器陣列整體RCS 有所提高，結合圖17 的調控幅度（絕對值）曲線，還可以看出，樹脂連接關節的陣列在絕大多數頻段內具有10 dBsm 以上的調控幅度，在7.6、9、18.9 GHz 附近頻段內能夠達到30 dBsm 及以上，且整體而言，樹脂連接關節的角反射器陣列具有普遍的高調控幅度.因此，此后的研究中可采用樹脂或其他非金屬新型材料作為連接關節降低后向散射，以提高新型角反射器陣列的調控效果.

圖17 不同材質連接關節的調控幅度對比Fig.17 Comparison of control amplitude of joint with different materials

3 總 結

本文提出了一種新型雷達角反射器陣列設計方法，可實現超輕質化、可展收、對RCS 可大幅調控的特性.

在輕質化設計方面，本文創新性地使用了金屬絲網替代傳統角反射器的實體反射面，在不大幅增加電磁損耗的情況下極大地減小了質量；角反射器骨架采用了輕質高結構強度的碳纖維桿，碳纖維桿之間依靠特制的合金關節結構連接，既保證了輕量化的設計，又能夠為角反射器陣列的展開收攏創造條件.經過實際測試，本文所提出的12 單元角反射器陣列的整體質量低至1.325 kg，非常有利于該角反射器陣列的裝載運輸和使用，其應用場景包括海上、陸地和空中.此外，輕量化的設計也為散射特性可調控的設計帶來了便利.

得益于對陣列結構巧妙的展開-收攏方案設計，該角反射器陣列能夠在步進電機的驅動控制下，實現自身結構形態的變換.當步進電機處于不同的驅動控制模式下，該角反射器陣列能夠變換到對應展開程度的狀態，從而形成該狀態下的散射特性.因此，新型雷達角反射器陣列實現了傳統角反射器無法實現的可變體積操作，一方面有利于運輸和裝載，更重要的是，能夠根據要求而展現出不同的展開態，實現目標散射特性的調控.實驗測試表明，RCS 可調控范圍高達30 dBsm，且具有較大的調控范圍.除此之外，該角反射器陣列也能夠用于干擾雷達探測.當陣列進行頻繁無規律的展開收攏操作時，雷達所探測到的目標呈現出無規律變化的RCS 的情況，從而無法確定目標特性.

需要指出的是，本文尚未開展制造誤差等因素對該新型角反射器陣列散射性能的影響分析，但該影響是不可避免的，因此不可忽略不計.后續將研究制造誤差等因素的影響機理與分析、評估方法，以更準確地掌握誤差因素對散射性能的影響規律，促進設計水平提升.