[發(fā)明專利]基于FSS多層反射調(diào)制板的UHF雷達(dá)頻譜搬移方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710730131.9
• 申請(qǐng)日: 2017-08-23
• 公開（公告）號(hào): CN107565218A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖希;王洋;邵羽;葉志紅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H01Q3/28
• 分類號(hào): H01Q3/28;H01Q3/30;H01Q15/14;H01Q17/00
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11275
• 代理人: 廖曦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電磁場(chǎng)微波技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于FSS多層反射調(diào)制板的UHF雷達(dá)頻譜搬移方法。

背景技術(shù)

特高頻(Ultra-High Frequency,UHF)(300MHz～3000MHz)雷達(dá)經(jīng)過(guò)調(diào)制的電波和定向天線發(fā)射一束電磁能量，利用其電波波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以探測(cè)超遠(yuǎn)距離移動(dòng)目標(biāo)的速度、角度等特征。當(dāng)UHF頻段的主要威脅來(lái)源于遠(yuǎn)距離雷達(dá)系統(tǒng)，它們工作方式靈活、帶寬較大(>20％)，且電磁波在通常的電磁材料中傳播時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及波矢量方向三者滿足右手法則，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率固定，相關(guān)參數(shù)為正，具有正的折射率，無(wú)法靈活地改變電磁特性，這對(duì)工程師在設(shè)計(jì)雷達(dá)散射截面(Radar Cross section,RCS)材料時(shí)提出了相當(dāng)高的挑戰(zhàn)。

然而傳統(tǒng)的反射調(diào)制板僅有一層頻率選擇表面(Frequency selective surface,FSS)，該表面由大量的無(wú)源諧振單元組成了周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成，在單元諧振頻率上呈現(xiàn)全反射(貼片型)或全傳輸(孔徑型)特性。該單層反射結(jié)構(gòu)無(wú)法用簡(jiǎn)單的等效電路實(shí)現(xiàn)，也不能動(dòng)態(tài)變換反射狀態(tài)。

近年來(lái)，隨著電磁場(chǎng)微波學(xué)科的技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了一批雷達(dá)散射截面控制技術(shù)，并且電磁超材料成為研究熱點(diǎn)。其中，基于電磁超材料的頻譜搬移技術(shù)不僅能有效地解決UHF雷達(dá)帶寬、波形設(shè)計(jì)的問(wèn)題，還能解決RCS材料的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

電磁超材料是一類介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可人為控制、各參量可正可負(fù)的新型人工復(fù)合電磁材料。相比通常的電磁材料，它具有兩點(diǎn)完全不同的奇特性質(zhì)：一是電磁波在其中傳播時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波波矢量的方向三者滿足左手法則。由此，電磁波能流方向與其傳播方向反向平行，電磁波的群速度方向與相速度方向相反，即具有反向波的特性，并會(huì)產(chǎn)生反向的多普勒效應(yīng)。二是電磁超材料可具有負(fù)的折射率，形成負(fù)折射特性，該特性于2001年在實(shí)驗(yàn)上首次被驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于FSS多層反射調(diào)制板的UHF雷達(dá)頻譜搬移方法，利用電磁超材料的電磁特性可控性，設(shè)計(jì)出一種基于FSS的三層結(jié)構(gòu)反射板調(diào)制板，實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)特征阻抗?fàn)顟B(tài)的動(dòng)態(tài)變換，從而改變低頻雷達(dá)入射波的幅度、相位、反射波方向等電磁特性，解決UHF雷達(dá)入射波的頻譜搬移和接收機(jī)信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

基于FSS多層反射調(diào)制板的UHF雷達(dá)頻譜搬移方法，包括以下步驟：

中心頻率為f_c的單位強(qiáng)度平面波垂直照射到頻率選擇表面(Frequency selective surface,FSS)多層反射調(diào)制板的表面，反射信號(hào)分別為cos(2πf_ct)和cos(2πf_ct+βd)，其中β＝2π/λ為電磁波在介質(zhì)層中的傳播常數(shù)；d為介質(zhì)層厚度；t為時(shí)間；

取d＝λ/4，兩個(gè)反射信號(hào)相位差為180°，若該調(diào)制板的表面的有源阻抗層的阻抗?fàn)顟B(tài)的轉(zhuǎn)換受到頻率為f_s、占空比為50％的周期性方波的控制，則反射波的歸一化頻譜為：

其中，n為諧波數(shù)，δ為沖激函數(shù)；表明入射頻率f_c處，反射波沒(méi)有頻譜分量，其平均反射能量為0；即只要調(diào)制響應(yīng)信號(hào)的頻率f_s為將第一旁瓣移出雷達(dá)接收機(jī)的通帶，該調(diào)制板的表面將表現(xiàn)出理想的吸波能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)特高頻(Ultra-High Frequency,UHF)雷達(dá)信號(hào)的頻譜搬移。

進(jìn)一步，所述FSS多層反射調(diào)制板轉(zhuǎn)換成傳輸線等效模型時(shí)，有效阻抗為：

反射系數(shù)表示為：

其中，Z₀為自由空間阻抗，取377歐姆；R_s為反射面電阻，L_s為電感，C_s為電容，ω為旋轉(zhuǎn)角度，面特征阻抗Z_s＝R_s+jωL_s+1/jωC_s。

進(jìn)一步，所述FSS多層反射調(diào)制板包括阻抗可調(diào)的有源阻抗層、金屬背板和厚度為d的介質(zhì)層，有源阻抗層的阻抗隨著外界的控制信號(hào)在各種阻抗?fàn)顟B(tài)間轉(zhuǎn)換；有源阻抗層在完全透明和完全反射兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，即在R＝∞和R＝0兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。