摘要：目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)，在復(fù)平面可以表示為復(fù)頻域的函數(shù)。根據(jù)奇點(diǎn)(SEM)展開(留數(shù))方法，計(jì)算對(duì)目標(biāo)物體的散射奇點(diǎn)(留數(shù))，進(jìn)行射頻識(shí)別(RFID)，是射頻識(shí)別的新思路。通過(guò)FEKO軟件，對(duì)蝶形無(wú)芯標(biāo)簽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真得出該結(jié)構(gòu)散射場(chǎng)。仿真的結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)具有開槽數(shù)量多、極點(diǎn)分布規(guī)律、數(shù)據(jù)容量大、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：雷達(dá)散射截面(RCS)；奇點(diǎn)展開法(SEM)；散射場(chǎng)；FEKO

0 引言
    射頻識(shí)別是一種全自動(dòng)，非接觸識(shí)別方式。射頻識(shí)別的系統(tǒng)就是閱讀器和標(biāo)簽天線之間的通信。在目前射頻識(shí)別系統(tǒng)中標(biāo)簽都是有芯的，但這類標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積、尺寸較大，價(jià)格較貴，所以限制了它的廣泛應(yīng)用。雷達(dá)技術(shù)的廣泛深入地應(yīng)用，激發(fā)了人們利用雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行射頻識(shí)別的新思路。研究者又提出了無(wú)源無(wú)芯結(jié)構(gòu)標(biāo)簽天線思想。Baum提出了奇點(diǎn)展開法的思想也促進(jìn)了人們研究無(wú)芯標(biāo)簽的熱情，奇點(diǎn)展開法對(duì)標(biāo)簽的散射場(chǎng)(雷達(dá)截面積)進(jìn)行分析以提取目標(biāo)的自然諧振頻率。物體的本征頻率的固有特性，即目標(biāo)的奇點(diǎn)只與目標(biāo)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與目標(biāo)的位置、形態(tài)無(wú)關(guān)。每個(gè)物體的結(jié)構(gòu)在平面波激勵(lì)下都有自己的獨(dú)特的散射場(chǎng)，通過(guò)分析物體的散射場(chǎng)，提取目標(biāo)的固有頻率并利用其進(jìn)行存儲(chǔ)和恢復(fù)數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。因而標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)對(duì)于識(shí)別至關(guān)重要。為了尋求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的標(biāo)簽，Majid Manteghi and Yahya Rahmat-Samii等研究者研究了橢圓偶極子開槽方式。但這種方式，開槽數(shù)量有限。能夠容納的數(shù)據(jù)容量少，不能滿足當(dāng)前的需要。
    本文也就是處于這點(diǎn)考慮并在前人研究的基礎(chǔ)上，研究了能夠具有較多開槽結(jié)構(gòu)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，即蝶形結(jié)構(gòu)。采用兩個(gè)對(duì)稱正三角形方式，能夠開槽達(dá)到8個(gè)，容納更多的數(shù)據(jù)容量。本文利用FEKO軟件詳細(xì)地分析這種蝶形標(biāo)簽結(jié)構(gòu)在不開槽、開槽數(shù)量從一個(gè)到八個(gè)不同方向散射雷達(dá)截面。同時(shí)利用矩量法，提取了它的極點(diǎn)。這個(gè)研究的重要性在于改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，徹底降低標(biāo)簽價(jià)格，推動(dòng)射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

1 理論基礎(chǔ)
    在這一部分，主要介紹關(guān)于散射所涉及的理論知識(shí)，不作理論的探討和推導(dǎo)，可參閱文獻(xiàn)。
1．1 雷達(dá)散射截面
    三維度單位體積內(nèi)入射波段所攜帶的功率在全向輻射時(shí)，入射場(chǎng)強(qiáng)度為方向(θ，φ)的函數(shù)如圖1所示，在定向方向上產(chǎn)生相同的散射功率密度可以表示為：
   
    對(duì)于時(shí)諧電磁場(chǎng)，TEM模式電磁波，入射電場(chǎng)和磁場(chǎng)為(E，H)，坡印廷矢量可以表示為：

    由式(3)和式(4)可以得到式(1)。
1．2 物體表面散射場(chǎng)積分方程
    對(duì)于在自由空間里面積為S的任意形狀的完純導(dǎo)體，如圖1所示。

    當(dāng)此導(dǎo)體受到已知強(qiáng)迫電流和磁荷(J，M)電場(chǎng)激勵(lì)時(shí)，那么所有場(chǎng)將是具有時(shí)諧函數(shù)。在激勵(lì)場(chǎng)已知，對(duì)完純導(dǎo)體面積為S，設(shè)其表面電流為J，散射場(chǎng)為，這時(shí)整個(gè)區(qū)域的場(chǎng)為(E，H)。

上標(biāo)帶撇號(hào)和不帶撇號(hào)的分別表示源的坐標(biāo)和場(chǎng)的坐標(biāo)。為激勵(lì)場(chǎng)的傅里葉變換，分別表示投射波的電場(chǎng)強(qiáng)度；J，M，ρ分別是等效源。如果只關(guān)心遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，則上式可以簡(jiǎn)化為：
   

2 試驗(yàn)仿真和數(shù)據(jù)分析
    下面給出具有對(duì)稱性的邊長(zhǎng)為30 mm的兩個(gè)對(duì)稱正三角形構(gòu)成的具有蝶形金屬天線標(biāo)簽如圖2(a)的雷達(dá)散射截面的仿真結(jié)果。完純導(dǎo)體標(biāo)簽的雷達(dá)散射截面是頻域的函數(shù)。當(dāng)標(biāo)簽不開槽時(shí)，在激勵(lì)源超寬帶(UWB)脈沖的照射下，雷達(dá)散射是平滑的頻域函數(shù)如圖2(b)所示。當(dāng)在金屬標(biāo)簽上開槽時(shí)，那么標(biāo)簽的散射截面會(huì)出現(xiàn)凹點(diǎn)(極值點(diǎn))。凹點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，就是極值頻率。這個(gè)極點(diǎn)的位置不但與標(biāo)簽的尺寸有關(guān)，而且與開槽的尺寸，位置，形狀有關(guān)。利用FEKO仿真軟件可以分析出開槽的位置，以及開槽的大小。通過(guò)分析得出通常開槽的大小一般取頻率波長(zhǎng)的1／4，或1／8可以獲得較為理想的散射截面。本文給出了開槽數(shù)為零，即不開槽以及開槽數(shù)為8的散射截面。激勵(lì)頻率為2～10 GHz，開槽寬度為0．75 mm，開槽間距為1．732 mm方向?yàn)?°，30°，60°情況下的散射結(jié)果。表1給出了開槽數(shù)是8的具體參數(shù)。

     圖3(a)為槽數(shù)為8個(gè)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。圖3(b)是激勵(lì)平面波頻率為2～10 GHz，0°極化，激勵(lì)角度是0°，30°，60°情況下的散射場(chǎng)。圖3(c)給出了90°極化的RCS和E場(chǎng)。

    通過(guò)對(duì)表1中數(shù)據(jù)開槽大小、長(zhǎng)度、槽的位置變化對(duì)極點(diǎn)的影響的仿真分析得出，當(dāng)開槽較小，距離中心點(diǎn)位置較近時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)較高的約9 GHz頻率極點(diǎn)。隨著開槽長(zhǎng)度的增加，極點(diǎn)頻率越低并逐漸左移，開槽數(shù)量達(dá)到8個(gè)時(shí)，槽長(zhǎng)最長(zhǎng)，頻率極點(diǎn)在5 GHz。本文是采用激勵(lì)源UWB超寬帶脈沖分別對(duì)極化方向?yàn)?°，90°兩種極化方式做了仿真，從圖3(c)，(b)中顯示極化方向?qū)O點(diǎn)的影響不明顯，但在0°極化時(shí)，RCS幅度會(huì)發(fā)生約6 dB波動(dòng)，而采用90°極化時(shí)，激勵(lì)的入射方向?qū)CS幾乎沒(méi)有影響。結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)散射場(chǎng)極點(diǎn)穩(wěn)定的特性。

3 極點(diǎn)提取分析
    由于每個(gè)目標(biāo)的極點(diǎn)跟它的結(jié)構(gòu)相關(guān)，而與它的位置、姿態(tài)無(wú)關(guān)，為提高了標(biāo)簽設(shè)計(jì)效率，這里采用標(biāo)簽設(shè)計(jì)散射場(chǎng)仿真與極點(diǎn)提取相結(jié)合的方式來(lái)完成。根據(jù)極點(diǎn)最終確定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)就對(duì)應(yīng)著不同的物體，這就是完成了目標(biāo)識(shí)別。本文是使用矩陣束法來(lái)提取目標(biāo)的極點(diǎn)，其過(guò)程如圖4所示。

4 結(jié)論
    利用FEKO軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)標(biāo)簽散射場(chǎng)進(jìn)行仿真，結(jié)果可知，對(duì)稱正三角形的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，開槽數(shù)量較多，數(shù)據(jù)容量大，且開槽位置容易，開槽離中心點(diǎn)的距離決定極點(diǎn)位置，開槽離中心越近，開槽越短，極點(diǎn)會(huì)遠(yuǎn)離起點(diǎn)頻率，越長(zhǎng)則會(huì)靠近4．5 GHz的頻率點(diǎn)?？傊?，了解開槽位置與極點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及開槽位置大小對(duì)極點(diǎn)的影響，從而利用矩陣束法提取極點(diǎn)并用來(lái)存儲(chǔ)和恢復(fù)數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別。