无人靶机低频段RCS有源模拟器设计*

张云，沈小玲，冯孝斌，蔡敏，刘海威，张达凯

(电磁散射重点实验室，北京 100854)

0 引言

靶机作为检验武器系统性能的关键空中靶标，被形象地称为“空中磨刀石”。进入21世纪后，随着高新技术的发展和应用，各种空中目标的性能将不断提高，各种防空反导武器系统也日趋复杂和先进。因此，武器系统对无人靶机性能的要求也必然越来越高，急需宽频带多功能的无人靶机[1-3]。无人靶机在逼真模拟高频段典型飞机目标低RCS特性条件下，受外形尺寸等因素限制，很难单靠自身反射同时兼顾对典型飞机等目标低频段RCS特性的逼真模拟。为此，需针对无人靶机，采取RCS模拟措施，提高其低频段RCS量级，同时不影响高频段RCS特性，以期同时获得对飞机等目标低频段和高频段RCS特性的逼真模拟。本文结合实际情况，给出一种无人靶机低频段RCS有源模拟设计方案，从有源模拟原理、电气结构等方面进行了分析，设计了无人靶机RCS有源模拟设备，并进行了试验验证。

1 有源模拟技术分析

真实目标反射雷达电磁波的过程为，雷达发射电磁波照射到目标，与目标相互作用后再反射回雷达处，并被其接收天线所接收。这一过程可用雷达方程表述如下:

(1)

式中:Pt为雷达发射功率;Gt和Gr分别为雷达发射和接收天线增益;σ为目标RCS;λ为雷达工作波长;R为雷达至目标距离;Prt为雷达接收真实目标回波功率。

有源模拟设备的工作过程为，雷达发射电磁波照射到有源模拟设备，RCS有源模拟设备接收天线接收照射电磁波，这一过程可表述为

(2)

RCS有源模拟设备对接收后的信号进行功率控制或RCS特性调制，然后通过RCS有源模拟设备发射天线辐射给照射雷达，并被其接收天线所接收。这一过程可表述为

(3)

式(2)，(3)反映了RCS有源模拟设备的工作过程，由此有

(4)

式中：Gtc和Grc分别为RCS有源模拟设备和接收天线增益；grc为回路增益;Prtc为雷达接收RCS有源模拟设备回波功率。

通过比较式(1)和(4)可知，若通过调节RCS有源模拟设备回路增益grc，使得

(5)

则式(1)和(4)相等，即Prtc=Prt。此时，从雷达的角度看，RCS有源模拟设备模拟的是真实目标RCS特性，两者可以等效。

RCS有源模拟设备对接收后的信号进行功率控制或RCS特性调制，然后通过RCS有源模拟设备发射天线辐射给照射雷达，此过程不可避免地引入了延时环节，将导致一定的距离跟踪误差[4-5]。若采用射频存储方式[6]，延时导致的距离跟踪误差将难以接受，下文设计的电路将极力降低该影响，将延时控制在ns量级，小于一个距离分辨单元，由此带来的距离跟踪误差可以不予考虑。

2 无人靶机RCS有源模拟设计及实现

通过上述有源模拟原理分析可知，影响到RCS有源模拟设备性能的主要是雷达工作频率、RCS有源模拟设备收发天线增益以及回路增益。无人靶机RCS有源模拟设备电气框图如图1所示[7]。

无人靶机主要存在的问题是空间尺寸小，结构限制多，在高频段(L及以上频段)，因天线尺寸小，易于实现有源模拟设备加装，而在低频段，尤其是UHF等频段，因其波长长，对RCS有源模拟设备收发天线结构尺寸和摆放位置提出了极大的挑战。

从无人靶机结构看，抛去无人靶机动力等所占空间，可用空间比较小，主要有机头位置、左右机翼以及尾翼几个位置可以布置RCS有源模拟设备。由于机身的遮挡，以及空间的限制，尾翼难以布置设备，不予考虑。主要考虑将RCS有源模拟设备布置在机头位置和机翼位置。天线采用平面螺旋天线形式[8]，占用体积小，主波束宽，可以覆盖大的角域面积，为增加收发天线隔离度[9-10]，将收发天线分别布置在机头位置和机翼位置，发射天线布置在机头位置，接收天线布置在右侧机翼位置。为避免有源模拟设备影响无人机高频段RCS特性，在天线位置设计加装低通FSS天线罩[11-12]，透射RCS有源模拟设备工作频段电磁波，同时反射其他高频段电磁波。

3 试验验证[13-16]

3.1 低频段有源模拟效果验证

在暗室环境对加装RCS有源模拟设备前的无人靶机以及加装后的无人靶机进行UHF频段(550 MHz)RCS测试对比。结果如图2所示。

由图2可以看出，RCS有源模拟设备加电工作后，前向RCS有一个很大的模拟，从统计均值看RCS大了一个量级，有源模拟效果明显。RCS有源模拟设备加电状态在+15°左右有一个凹坑，从RCS有源模拟设备天线布局的角度看，应是接收天线只布置在了无人靶机右侧机翼位置，在方位360°旋转测量时，正好在+15°左右有一个大的遮挡，导致模拟该角度范围模拟效果下降，后续可在无人靶机另一机翼上再加装一个接收天线，增加有源模拟角度范围。

3.2 高频段性能验证

无人靶机加装RCS有源模拟设备后高频段前向±30°测试曲线如图3所示。

由图3可以看出，在高频段，无人靶机加装有源模拟设备后和加装前在前向±30°内RCS特性基本在一个量级，说明加装有源模拟设备对无人靶机高频段RCS特性影响可以忽略不计(受限于宽带天线罩性能影响，Ka波段加装RCS有源模拟设备后对无人靶机RCS影响较大，但也在同一个量级，且因Ka频段整体RCS量级较小，影响可以忽略不计)。

4 结束语

对于无人靶机因空间尺寸限制，导致难以采取无源模拟方式实现RCS模拟的问题，本文通过研究有源模拟方式，给出了一种RCS有源模拟设计方案，可在无人靶机有限空间内现实低频段RCS的大量级模拟效果，又不影响无人靶机高频段RCS特性。通过暗室试验验证，结果表明了设计方案的可行性。本文方法不仅适用于UHF等低频段，也可应用于L及以上频段的RCS模拟。