CN210465682U - 一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，包括：信号调制器主体即相位调制表面，类三脚架结构；相位调制表面由有源阻抗层、导体背板和泡沫介质组成；有源阻抗层采用“领结型”金属单元，相邻两个单元中间加载BA585型PIN二极管；泡沫介质位于有源阻抗层和导体背板之间；导体背板选用能全反射电磁波的金属薄片；类三脚架结构由三角支撑架、旋转轴和旋转伸缩夹组成。本实用新型能适应电磁波信号的不同频段；能实现对相位调制表面产品的搭载，可适应尺寸变化；可俯仰、方位向的全方位旋转，高度调节灵活可控；不会对入射电磁波产生强烈反应；整体结构灵活便携；产品结构简单；能避免主动辐射电磁波，减小被探测概率。

Description

一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器

技术领域

本实用新型涉及一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，具备小巧便携、性能灵活等特点，所述的便携式雷达信号调制器属于雷达信号调制装置领域。

背景技术

相位调制表面作为一种能够改变电磁波反射特性的特殊频率选择表面结构，能够动态控制其本体反射电磁回波的特性。它通过对入射电磁波信号施加相位调制，使得入射波能量在较大的频率范围内重新分布，既能够实现目标隐身，又能够在雷达带宽内产生逼真目标，研究人员已经开展了大量的先期理论研究，并正在逐步开展相位调制表面试验产品的研制和试验验证工作。文献(冯德军,徐乐涛,张然,王俊杰.相位调制表面雷达回波特性研究[J].现代雷达,2018,40(04):77-82)以线性调频信号为例,建立了回波模型并详细分析了相位调制表面的回波特性,分析结果表明，就对雷达系统的影响而言，相位调制表面具有与间歇采样转发干扰相似的效应，但同时它还具备一些有源方式难以比拟的优点。在目标隐身领域，文献(谢少毅，相位调制表面隐身技术研究，国防科技大学博士学位论文)深入研究了相位调制表面的特性，并设计了基于方形结构的有源相位调制表面试验产品，验证了其在隐身领域的优良性能。

相位调制表面在信号调制领域的应用可行性和性能可靠性已经得到了充分的证明，但由于相位调制表面的制造工艺在一定程度上会影响其本身的性能，往往导致理论分析结果和产品的实际性能存在一定差异，因此对相位调制表面性能的试验验证尤为关键。在这一现实需求下，本实用新型设计了种基于相位调制表面的便携式通用雷达信号调制器，该调制器以相位调制表面为主体，以类三脚架结构为支撑体，目前关于相关的试验调制器未见公开报道。

三角架作为一种稳定性良好的支撑结构，在摄像、摄影以及测绘领域广泛应用且技术十分成熟，相比于其他重型支撑平台，三脚架具备轻便、灵活、稳定、便携等优点，目前市面上常见的三脚架产品按材质分可分为木质、高强塑料材质、合金材料、钢铁材料等，最大管脚管径基本在22mm～32mm之间，通常管脚管径越大，三脚架的承重越大，稳定性越大。通常，三脚架管的节数在3～5节不等，可以根据使用需求调节长度，十分方便。考虑到相位调制表面等频率选择表面结构的重量较轻，试验产品通常其质量在5kg以内，三脚架结构足以对其稳定支撑。因此本实用新型将三脚架结构进行改进，设计成能够搭载相位调制表面的改进型三脚架结构。

本实用新型立足于对相位调制表面性能的试验需求以及三角结构的优良性能，设计了一种基于相位调制表面的便携式通用雷达信号调制器，该调制器不仅可适应多种尺寸的方形(含正方形和长方形)相位调制表面产品，可任意调整相位调制表面的朝向角度，同时可最大限度的减小试验搭载调制器对试验产品性能测试的影响，并充分发挥相位调制表面的作用，具有重要的意义和市场应用前景。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，该调制器的主体是一定尺寸范围内的相位调制表面试验产品，并可实现试验高度的有限范围调节和试验方向的全向调节，确保相位调制表面可对雷达信号实现多种姿态和宽频带有效调制。

该调制器以类三角型结构为支撑平台，以方板形相位调制表面为试验主体，充分发挥相位调制表面对雷达信号的调制作用，可实现对雷达的全方位、多姿态、宽频带的信号调制。更进一步来说，本实用新型设计了一种通用雷达信号调制器，将相位调制表面与类三脚架结构相结合，将三脚架结构改进成可搭载相位调制表面的通用雷达信号调制器，可适应相位调制表面尺寸在有限范围内变化，同时该调制器可搭载相位调制表面在方位、俯仰两个方向上实现任意角度朝向，实现对雷达的全方位、多角度、宽频段的信号调制。

本实用新型主要包含两大结构：其一，是信号调制器主体，即相位调制表面；其二，是搭载平台主体，即类三脚架结构。下面进行详细说明。

(1)信号调制器主体：相位调制表面

相位调制表面由有源阻抗层、导体背板和泡沫介质三部分组成。三者位置关系以及原理说明图如附图1a和附图1b所示，泡沫介质位于有源阻抗层和导体背板之间，起到固定结构的作用。相位调制表面的有源阻抗层可以在全阻和全通两种状态下实时转换，设定入射电磁波为单位幅度、频率为ω的正弦波，当有源阻抗层在全阻状态时，入射电磁波遇到有源阻抗层被完全反射，可表示为cos(ωt)；有源阻抗层在全通状态时，入射电磁波遇到有源阻抗层后的导体表面后发生反射，反射波可表示为cos(ωt+2βd)，其中β＝2π/λ，λ为自由空间波长。如果该有源阻抗层在某一调制函数的控制下状态(全阻和全通两种状态)不间断的发生转换，那么发射信号将表现为受到相位调制的形式，电磁波受调制前后信号脉冲压缩后结果如附图2a、b所示，从附图可以看出，电磁波信号经相位调制表面调制后，反射回波出现了多个峰值，实现对雷达信号的调制。下面对相位调制表面的三个组成部分进行详细说明。

(a)有源阻抗层

相位调制表面的有源阻抗层采用“领结型”金属单元，并在相邻的两个单元中间加载BA585型PIN二极管，通过对整个结构施加偏压的方式改变通过二极管的电流，有源阻抗层的单元结构和整体结构如附图3a和附图3b所示。

(b)泡沫介质

泡沫介质起到支撑和分离有源阻抗层与导体背板的作用，泡沫介质的厚度影响相位调制表面的工作中心频率，具体为泡沫介质的厚度与相位调制表面的工作中心频率成反比，即若泡沫介质越薄，整个相位调制表面的工作中心频率就越高。也就是说泡沫介质的厚度可根据需要任意设置。

此外，相位调制表面要求泡沫介质的介电常数尽可能的接近于1，以减小其对电磁波信号的吸收。

(c)导体背板

导体背板又可称为金属衬底，在相位调制表面结构中起到全面反射电磁波的作用，因此导体背板选用能够全反射电磁波的金属薄片即可，无其他要求。

为安装方便，在制作相位调制表面时有源阻抗层、泡沫介质以及金属背板的长宽应完全一致。

(2)搭载平台主体：类三脚架结构

与常规三脚架结构类似，本实用新型的搭载平台主体组成如图4所示，本类三脚架结构主要由三部分组成，分别是三角支撑架、旋转轴和旋转伸缩夹。下面对本调制器的各个部件进行详细介绍。

所述的三角支撑架用于实现对相位调制表面的支撑作用，由三个支撑管脚和一根可伸缩支撑杆组成。其中，三个支撑管脚为实心圆柱管，圆柱管直径在2cm～5cm之间，长度在30cm～50cm之间，且三个支撑管脚尺寸完全相同，向下俯视三个管脚之间的角度均为120°；可伸缩支撑管由4节空心圆柱管组成，为保证三角支撑架的稳定性，设计采用最下方空心圆柱管的半径最大、长度最长，最上方空心圆柱管的半径最小、长度最短的原则，保证可伸缩支撑杆总长度在30cm～120cm之间。三角支撑架细节图如附图5所示。

所述的旋转轴用于连接三角支撑架和旋转伸缩夹，旋转轴可在水平方向旋转360°，俯仰角方向旋转180°。

所述的旋转伸缩夹用于固定相位调制表面等方形板结构产品，旋转伸缩夹可以图4中O点为旋转轴俯仰方向上旋转360°，图6给出了旋转伸缩夹的具体细节，旋转伸缩夹由可伸缩固定夹、小旋转轴组成。可伸缩固定夹横向固定长度30cm，可伸缩长度0cm～30cm，纵向固定长度30cm；旋转小轴支撑部分采用实心圆柱结构，长度、半径可根据实际情况调节。在以上参数设计下旋转伸缩夹可搭载的方形产品其中一个边长最大为60cm。

为避免调制器的搭载平台影响相位调制表面性能，类三脚架结构的材质均选用高强质塑料，所有零部件在制作过程中避免使用金属。因为，相位调制表面的性能测试以接收到和反射的电磁波量为衡量标准，而类三角架结构中的多余金属会对电磁波会造成强烈反射，导致测量引入误差，故本实用新型中的调制器的类三脚架结构的材质均选用高强质塑料，以不影响入射信号回波为评判是否可选择的依据。

本实用新型能够达到的效果及优点是：

(1)通过灵活调整相位调制表面泡沫介质的厚度能够适应电磁波信号的不同频段，应用范围广泛。

(2)能够实现对相位调制表面产品的搭载，且可适应其尺寸在有限范围内变化，具有一定通用性；

(3)可俯仰、方位向的全方位旋转，实现对产品不同姿态下性能的全方位测量，同时高度调节灵活可控；

(4)采用高强质塑料之作，不会对入射电磁波产生强烈反应，避免对相位调制表面产品性能测试的影响；

(5)该调制器整体结构灵活便携，确保相位调制表面可对雷达信号实现多种姿态和宽频带有效调制；

(6)产品结构简单，成本低，且可随时移动，灵活性好，适合各种场景的使用。

(7)调制器能够避免主动辐射电磁波，减小被探测概率。

附图说明

图1a相位调制表面结构正视图；

图1b相位调制表面原理说明图

图2a未经相位调制表面调制的电磁波信号脉冲压缩结果图；

图2b经相位调制表面调制的电磁波信号脉冲压缩结果图；

图3a有源阻抗层的单元结构

图3b有源阻抗层的整体结构

图4搭载平台主体结构示意图；

图5类三角支撑架结构及尺寸示意图；

图6可旋转伸缩夹尺寸示意图；

图7尺寸为30cm×30cm的有源阻抗层示意图；

图8为入射信号和经本调制器反射的信号频谱

图中标号如下：

1、有源阻抗层 11、金属单元 12、PIN二极管

2、泡沫介质 3、导体背板

A、三角支撑架 B、旋转轴 C、旋转伸缩夹

a、支撑管脚 b、可伸缩支撑杆 c、可伸缩固定夹 e、小旋转轴

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的说明。一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，包括信号调制主体及搭载平台主体：

(1)信号调制器主体：相位调制表面

相位调制表面在设计上为三层结构，从上至下分别为有源阻抗层1、泡沫介质2和导体背板3，其具体实施方式如下。

有源阻抗层1，采用“领结型”金属单元，并在相邻的两个单元中间加载BA585型PIN二极管，通过对整个结构施加偏压的方式改变通过二极管的电流；其单元结构尺寸如附图3a所示，整体结构尺寸为30cm×30cm，按照领结型金属单元结构(材质为铜)尺寸和整体结构尺寸，其上可包含19(行)×20(列)＝380个领结型金属单元和18(行)×20(列)＝360个二极管，在这种实施方式下有源阻抗层结构图如附图7所示。

泡沫介质2起到支撑和分离有源阻抗层1与导体背板3的作用，本实施例中泡沫介质采用PVC(聚氯乙烯)泡沫板，该泡沫板相对介电常数e_r<1.2，厚度0.3cm，尺寸30cm×30cm，呈浅黄色，质地偏硬。

导体背板3，本实施例中选用FR4覆铜板，与“领结型”金属单元材料相同，属于铜片，可完全反射电磁波，尺寸30cm×30cm，厚度可忽略。

(2)搭载平台主体：类三脚架结构

下表1给出了一种基于三脚架结构的相位调制表面通用试验调制器的具体设计方案。

表1

从表1可以看出，影响该调制器功能的因素主要有：

(a)三角支撑架A的尺寸影响该调制器的高度以及可搭载产品的质量，三角支撑架的尺寸越大，可将试验产品搭载到更高的高度，同时支撑管脚的半径越大结构越稳定。

(b)旋转轴B和旋转伸缩夹C中小旋转轴e的性能直接影响到调制器的方向调整能力，一般可根据需要进行设计。

(c)旋转伸缩夹C的尺寸影响可适应产品的尺寸范围。旋转伸缩夹的适应能力越强，其通用效果越好。

本方案仅给出了一组可行的搭载平台主体结构设计方案，使用人可根据需要调整相关尺寸，使该调制器具有更大的灵活性。

附图8给出了入射信号和经本调制器反射的信号频谱，其中入射信号是中心频率f_c＝10GHz、脉宽T_p＝10us、信号带宽B＝50MHz的线性调频信号；调制信号是占空比为0.5的周期矩形方波，调制信号频率5MHz；泡沫介质厚度为7.5mm；其他参数设置同本专利的“具体实施方式”。从图中可以看出，经过基于相位调制表面信号调制器后，由于相位调制表面对雷达信号施加了相位导致，导致回波信号频谱搬移，最终引起回波信号频谱混叠，使得整个回波信号的频谱完全模糊，起到了调制效果。

Claims (5)

1.一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，其特征在于：该调制器主要包括：信号调制器主体即相位调制表面，及搭载平台主体即类三脚架结构；具体如下：

相位调制表面由有源阻抗层、导体背板和泡沫介质三部分组成；有源阻抗层采用“领结型”金属单元，并在相邻的两个单元中间加载BA585型PIN二极管；泡沫介质位于有源阻抗层和导体背板之间；导体背板又可称为金属衬底，选用能够全反射电磁波的金属薄片；

类三脚架结构主要由三部分组成，分别是三角支撑架、旋转轴和旋转伸缩夹；所述的三角支撑架由三个支撑管脚和一根可伸缩支撑杆组成，可伸缩支撑管由4节空心圆柱管组成；所述的旋转轴连接三角支撑架和旋转伸缩夹，旋转轴可在水平方向旋转360°，俯仰角方向旋转180°；所述的旋转伸缩夹可以俯仰方向上旋转360°，旋转伸缩夹由可伸缩固定夹、小旋转轴组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，其特征在于：所述泡沫介质的厚度与相位调制表面的工作中心频率成反比，即若泡沫介质越薄，整个相位调制表面的工作中心频率就越高。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，其特征在于：所述的泡沫介质的介电常数接近于1。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，其特征在于：所述的类三脚架结构的材质均选用高强质塑料。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位调制表面的便携式雷达信号调制器，其特征在于：所述相位调制表面的有源阻抗层、泡沫介质以及导体背板的长宽完全一致。

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