一种宽带宽角有源散射装置及其双站RCS的计算方法

一种宽带宽角有源散射装置及其双站rcs的计算方法
技术领域
1.本发明属于目标rcs增强技术领域，具体涉及一种宽带宽角有源散射装置及其双站雷达散射截面积rcs的计算方法。


背景技术：

2.被动探测定位系统是一种利用目标本身的电磁辐射信号或目标散射环境电磁波来对目标进行探测、定位与跟踪的系统。在该系统中，位于多个位置点的监测接收站自身不发射电磁波，仅是被动地感知、分析、处理被探测目标自身或散射的电磁波，通过提取这些电磁波信号到达各个监测站的时间差、频率差、相位差等信息，最终推算出辐射源或目标的位置并实现目标识别和跟踪。在很多实际的被动探测应用场景中，监测站接收到的目标辐射或散射的信号功率非常低，甚至可能因地形地貌或建筑物遮挡而完全无法接收到信号，因而严重制约了系统的探测效能和定位精度。为了扩大系统的探测范围，一般的应对办法是抵近探测或将探测设备部署于升空平台上，但这类方法的部署和应用成本较高，缺乏灵活性。
3.传统的关于双站rcs的计算研究中，对象均为无源物体，常用高频法、几何光学法、物理光学法研究物体的散射特性，或使用矩阵法、时域有限差分法、有限元法等数值计算方法求解物体的双站rcs，这类方法虽具有较高的精度，但计算量大，需要较多的计算存储空间。目前，尚未发现快速且较为完整的针对有源散射体的双站rcs的计算方法和流程。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种宽带宽角有源散射装置及其双站rcs的计算方法，该装置可提供双站rcs增益，可在很宽频率范围内增大宽角度空间的散射波功率。
5.本发明提供一种宽带宽角有源散射装置，包括：散射面板和多个离散分布于散射面板上的散射单元；每个散射单元包括：位于散射面板上的一组宽带宽角收发一体天线和反射放大电路；宽带宽角收发一体天线的信号端口通过过孔与反射放大电路相连，反射放大电路的接地部分通过盲孔与散射面板相连；散射单元用于通过宽带宽角收发一体天线在信号端口感应出入射波电压，并通过散射面板传递给反射放大电路，对其进行放大后反射回宽带宽角收发一体天线，最后向空间辐射出电磁波。
6.更进一步地，散射面板为三层pcb板结构，依次记为：顶层、中间层与底层；且所述顶层、所述中间层和所述底层均为金属层，中间金属层作为地层，各金属层之间为介质基板。
7.更进一步地，反射放大电路包括：依次连接的天线阻抗匹配电路、阻抗变换电路、负阻器件和直流偏置电路；天线阻抗匹配电路用于将天线的输入阻抗匹配至标准的50欧姆端接阻抗，减小因阻抗不匹配而产生的信号传输损耗；阻抗变换电路用于调整反射放大电路的频率响应特性；负阻器件用于在直流偏置电压的作用下工作于负阻区域；直流偏置电路用于为负阻器件提供使其工作在负阻区域的直流偏置电压。
8.其中，有源散射装置中的散射面板形状结构不限于矩形平板状，也可为球面、多面体等或其它共形结构；散射面板的基板材料也不限于常规的硬质环氧玻璃布层压板，可以是各种低介质损耗的多层柔性板材，如聚酰亚胺或聚酯薄膜基材等做成的柔性或挠性电路板。
9.其中，有源散射装置中的每个散射单元所使用的宽带宽角收发一体天线，设计为平面等角螺旋天线、平面阿基米德螺旋天线、平面等角螺线与阿基米德螺线组合而成的螺旋天线；每个散射单元中的反射放大电路所使用的有源器件是隧道二极管、雪崩二极管、体效应二极管等具有负阻特性的微波器件。
10.本发明还提供了一种基于上述宽带宽角有源散射装置的总双站rcs的计算方法，该方法包括下述步骤：第1步对不含反射放大电路的宽带宽角有源散射装置，当均匀平面波的入射方向为、场强为时，采用三维电磁仿真方法计算得到距离有源散射装置处、沿方向的散射波电场强度、，其中表示散射波沿θ方向的散射波电场强度，表示散射波沿方向的电场强度；第2步对含有反射放大电路的宽带宽角有源散射装置，当均匀平面波的入射方向为、场强为时，利用三维电磁仿真方法计算得到宽带宽角有源散射装置上的每个散射单元的宽带宽角收发一体天线信号端口处的感应电压；第3步计算每个散射单元中的反射放大电路输出电压：式中，下标j表示第j个散射单元的序号，n表示宽带宽角有源散射装置上分布的散射单元的数量，表示天线信号端口的感应电压，即反射放大电路的输入电压，表示反射放大电路的输出电压，表示第j个散射单元的闭环功率增益；第4步使用反射放大电路的输出电压去激励对应的散射单元中的宽带宽角收发一体天线，使用三维电磁仿真方法计算得到在距离有源散射装置处、沿方向辐射的均匀平面波横向电场强度、，其中，表示辐射波沿θ方向的电场强度，表示辐射波沿方向的电场强度；第5步对上述计算得到的两种远场电场进行叠加：
式中，表示沿θ方向的合成电场强度，表示沿方向的合成电场强度；第6步利用下述公式计算宽带宽角有源散射装置的总双站rcs和沿方向的双站rcs：双站rcs：式中，表示在入射方向为的均匀平面波照射下宽带宽角有源散射装置的总双站rcs，表示在入射方向为的均匀平面波照射下宽带宽角有源散射装置沿方向的双站rcs。
11.本发明还提供了一种快速计算宽带宽角有源散射装置中单个散射单元的总有源双站rcs和沿方向的双站rcs的方法，其计算公式如下：方向的双站rcs的方法，其计算公式如下：式中，表示在入射方向为的均匀平面波照射下，第j个散射单元向整个空间散射的总有源双站rcs，表示在入射方向为的均匀平面波照射下该散射单元沿方向的双站rcs，为均匀平面波信号的波长，为第j个散射单元中的宽带宽角收发一体天线沿入射波方向的功率方向图增益，为第j个散射单元中的宽带宽角收发一体天线沿散射波方向的功率方向图增益，为第j个散射单元的闭环功率增益。
12.本发明中的装置和rcs的计算方法具有以下特点：（1）本发明首次提出了宽带宽角天线与单端口反射放大电路直接相连的结构，此结构构成了具有rcs增益的新型散射面或散射体。宽带宽角收发一体天线接收入射波信号并在天线端口产生感应电压，反射放大电路将该感应电压放大后即时反射回宽带宽角收发一体天线，并经该天线向外部空间辐射电磁波，从而增大后向或侧向散射波功率。另外，在该装置中采用阵列排布方式使多个散射单元有序分布于散射面板上，能够有效增大散射角度。因此整个装置与传统的无源散射面相比，在很宽频率范围、很宽宽角度空间内均可提供
双站rcs增益。
13.（2）本发明提出的计算散射单元总有源双站rcs的方法，只需事先测量得到宽带宽角收发一体天线的方向图和反射放大电路的性能参数，即可快速算出散射单元在指定频段内的有源双站rcs，避免了复杂繁琐的三维电磁场数值计算，极大程度地提高了计算速度并减小了计算存储空间。
14.（3）本发明提出的计算整个宽带宽角有源散射装置的总双站rcs的方法，计入了由无源散射结构和有源放大电路两部分各自产生的无源双站rcs和有源双站rcs，同时也可以处理位于散射面板上不同位置的收发一体天线因接收信号的幅度和相位不同而带来的散射场叠加问题，是一种可计算复杂结构的散射特性和rcs的普适方法。
附图说明
15.图1是宽带宽角有源散射装置整体结构示意图；图2是散射单元结构示意图；图3是计算宽带宽角有源散射装置的总双站rcs的流程图；图4是快速计算散射单元有源双站rcs的流程图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本发明的内容及具体实施方式作进一步说明。
17.本发明提供了一种宽带宽角有源散射装置及其双站雷达散射截面积rcs的计算方法；该装置可提供双站rcs增益，可在很宽频率范围、很宽角度空间内增大散射波功率。将其用于被动探测定位系统中，可扩大系统的探测范围并改善对辐射源或运动目标的探测定位精度；也可替代只具有后向散射增强效果的龙勃透镜安装于隐身飞行器上，为隐身飞行器提供宽频带、宽角度隐身能力的掩藏效果。此外，还可作为雷达假目标或雷达诱饵、雷达干扰器使用。
18.如图1所示，宽带宽角有源散射装置由多个离散分布于特定形状的硬质或柔性面板100上的散射单元200构成；散射面板100为三层pcb板结构，顶层、中间层与底层为金属层，中间金属层作为地层，各金属层之间为介质基板；位于散射面板100上的一组宽带宽角收发一体天线210和反射放大电路220构成一个散射单元200，其中，反射放大电路220由天线阻抗匹配电路221、阻抗变换电路222、负阻器件223和直流偏置电路224组成；宽带宽角收发一体天线210位于散射面板100顶层上，反射放大电路220位于散射面板100底层，宽带宽角收发一体天线210的信号端口通过通孔与位于底层的反射放大电路220相连。
19.工作时，宽带宽角有源散射装置在均匀平面波照射下，散射面板100上每个散射单元200中的宽带宽角收发一体天线210的信号端口产生感应电压，该电压通过通孔到达散射面板100底层成为对应单元中的反射放大电路220的入射信号，反射放大电路200将该感应电压放大后即时反射回宽带宽角收发一体天线210，并经该天线向空间辐射电磁波。
20.作为本发明的一个实施例，散射面板100的形状结构不限于矩形平板状，也可为球面、多面体等或其它共形结构；散射面板的基板材料也不限于常规的硬质环氧玻璃布层压板，可以为各种低介质损耗的多层柔性板材，如聚酰亚胺或聚酯薄膜基材做成的柔性或挠性电路板。
21.如图2所示，散射单元200由宽带宽角收发一体天线210和反射放大电路220构成，其中，反射放大电路220由依次连接的天线阻抗匹配电路221、阻抗变换电路222、负阻器件223和直流偏置电路224组成。宽带宽角收发一体天线210用于接收和向外辐射信号，反射放大电路220用于将输入的信号放大再反向输出，其中的直流偏置电路224为负阻器件223提供合适的直流偏置电压，使其工作在负阻区域，天线阻抗匹配电路221用于将天线的输入阻抗匹配至反射放大器的输入阻抗，减小因阻抗不匹配而产生的信号传输损耗，阻抗变换电路222由微带线等分布参数元件与电容电感等集总参数元件构成，用于调整反射放大电路的频率响应特性。
22.其中，每个散射单元200稳定工作的条件为：；式中，表示在第j个散射单元中从天线阻抗匹配电路221与阻抗变换电路222相接的第一端面向天线阻抗匹配电路221方向看去的反射系数，表示从第一端面向反射放大器阻抗变换电路222方向看去的反射系数。
23.作为本发明的一个实施例，宽带宽角收发一体天线210可以为平面等角螺旋天线、平面阿基米德螺旋天线、平面等角螺线与阿基米德螺线组合而成的螺旋天线；所述反射放大电路220使用的有源器件为隧道二极管、雪崩二极管或体效应二极管具有负阻特性的微波器件。
24.如图3所示，本发明提供了一种计算宽带宽角有源散射装置总双站rcs的方法，宽带宽角有源散射装置的总双站rcs由无源双站rcs和有源双站rcs两部分组成；无源双站rcs是指仅由散射面板100及其上多个宽带宽角收发一体天线210组成的无源结构所产生的双站rcs，有源双站rcs是指带有反射放大电路的宽带宽角有源散射装置所产生的双站rcs；其步骤具体包括：（1）对不含反射放大电路的宽带宽角有源散射装置，当均匀平面波的入射方向为、场强为时，采用三维电磁仿真方法计算得到距离有源散射装置处、沿方向的散射波电场强度、，其中表示散射波沿θ方向的散射波电场强度，表示散射波沿方向的电场强度。
25.（2）对含有反射放大电路的宽带宽角有源散射装置，当均匀平面波的入射方向为、场强为时，利用三维电磁仿真方法计算得到宽带宽角有源散射装置上的每个散射单元200的宽带宽角收发一体天线210信号端口处的感应电压。
26.（3）计算每个散射单元200中的反射放大电路220输出电压：；式中，下标j表示第j个散射单元200的序号，n表示宽带宽角有源散射装置上分布的散射单元200的数量，表示天线信号端口的感应电压，即反射放大电路220的输入电
压，表示反射放大电路（220）的输出电压，表示第j个散射单元200的闭环功率增益。
27.（4）使用反射放大电路的输出电压去激励对应的散射单元200中的宽带宽角收发一体天线210，使用三维电磁仿真方法计算得到在距离有源散射装置处、沿方向辐射的均匀平面波横向电场强度、，其中，表示辐射波沿θ方向的电场强度，表示辐射波沿方向的电场强度。
28.（5）对上述计算得到的两种远场电场进行叠加：式中，表示沿θ方向的合成电场强度，表示沿方向的合成电场强度。
29.（6）利用下述公式计算宽带宽角有源散射装置的总双站rcs和沿方向的双站rcs：双站rcs：式中，表示在入射方向为的均匀平面波照射下宽带宽角有源散射装置的总双站rcs，表示在入射方向为的均匀平面波照射下宽带宽角有源散射装置沿方向的双站rcs。
30.如图4所示，本发明提供一种快速计算散射单元有源双站rcs的方法，其步骤包括：（1）测量第j个散射单元上的宽带宽角收发一体天线210在指定频率范围内的方向图。
31.（2）测量第j个散射单元上的反射放大电路220在指定频率范围内的开环增益，根据开环增益计算出从第一端面向反射放大器阻抗变换电路222方向看去的反射系数。
32.（3）计算第j个散射单元的闭环功率增益：式中，表示在第j个散射单元中从天线阻抗匹配电路221与阻抗变换电路222相接的第一端面向天线阻抗匹配电路221方向看去的反射系数，表示从第一端面向反射放大器阻抗变换电路222方向看去的反射系数。其中，散射单元稳定工作的条件为
。
33.（4）利用天线方向图和第j个散射单元的闭环功率增益，按照下述方式计算第j个散射单元200的总有源双站rcs和沿方向的双站rcs：方向的双站rcs：式中，表示在入射方向为的均匀平面波照射下，第j个散射单元200向整个空间散射的总有源双站rcs，表示在入射方向为的均匀平面波照射下该散射单元沿方向的双站rcs，为均匀平面波信号的波长，为第j个散射单元200中的宽带宽角收发一体天线210沿入射波方向的功率方向图增益，为第j个散射单元200中的宽带宽角收发一体天线210沿散射波方向的功率方向图增益，为第j个散射单元200的闭环功率增益。
34.在本发明实施例中，该有源散射装置中的每个散射单元中的反射放大电路220也可以设计为由场效应晶体管或双极晶体管构成的二端口放大电路，同时将宽带宽角收发一体天线210改为接收和发射分置的双天线，分别连接二端口放大电路的输入端口和输出端口。此结构的散射单元200中的接收天线、二端口放大器及发射天线之间的闭环功率增益为：；其稳定工作的条件为：；式中，表示发射天线与接收天线之间的空间耦合效应所对应的散射单元反向传输系数，表示二端口放大电路的复电压增益。
35.以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。