一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置

1.本实用新型涉及电磁场与微波技术领域，尤其涉及一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置。


背景技术：

2.超表面是一种人工电磁媒质，具有低剖面、低损耗、便于设计和加工的显著优势，并且对电磁波具有强大的操控能力，这些特性使之成为各种军事隐身平台的优先选项。超表面电磁散射调控的基本方法可以概括为：利用人工结构在表面处引入突变相位，通过相位补偿的方式改变电磁波的等相位面，达到调控电磁波传播方向的目的，将探测波束的散射波转移到非威胁方向，从而实现隐身。
3.传统的雷达探测技术基于平面波体制，而具备隐身能力的超表面对平面波探测具有极好的隐身性能。若采用非平面波进行探测，目标不同位置的散射点被具有差异性的来波激励，散射波将呈现与平面波截然不同的特性，有望提高对超表面隐身目标的探测能力。携带有轨道角动量（orbital angular momentum，oam）的电磁波具有涡旋状的波前结构，因此也被称为oam涡旋波。这种独特的波束结构为其带来了广阔的应用场景：在通信领域，利用不同oam模态之间的正交性可以提升信道容量，从而缓解频谱资源日益紧张的严峻局面；在雷达领域，涡旋状的波前激励使目标散射回波蕴含更多的信息，通过成像处理可以提升成像分辨能力。面对超表面隐身目标探测难题，基于oam涡旋波的雷达体制有望为这一问题的解决带来新的突破。其中，oam涡旋波入射到超表面隐身目标的散射特性是首先需要解决的关键问题，然而当前相关问题尚未见诸公开报道。
4.目前，利用oam涡旋波探测目标主要关注于金属球等常规目标，下面重点介绍几个代表性成果。
5.清华大学的zhang chao等人研究了不同模式oam涡旋波入射下目标的后向散射特性。他们分别测试了单个金属球和双金属球目标在oam涡旋波照射下的雷达散射截面（radar cross section，rcs）。发射天线采用由螺旋相位板覆盖的喇叭天线，可以辐射oam涡旋波，接收天线为常规喇叭天线。实验发现，对于单个金属球这样的简单目标，不同模态涡旋波照射时的rcs变化趋势是相同的。然而，对于由两个横向放置的金属球构成的复杂目标来说，采用不同模态涡旋波以相同角度照射时得到的rcs是不同的，并把这种现象称之为rcs的多样性（rcs diversity）。
6.西安电子科技大学m. p. yu等建立了求解oam涡旋波雷达目标散射特性的数学模型。高阶贝塞尔涡旋波束是一种典型的涡旋电磁波，具有无衍射、高方向性等特性。该研究小组建立了高阶贝塞尔波束照射目标时的表面积分方程，求解散射场和目标rcs。计算结果表明，目标的rcs随着涡旋波模态指数的增大而减小。
7.国防科技大学的刘康等修改了传统的雷达方程，将oam涡旋波考虑其中，定义了oam涡旋波照射下的目标rcs，并以此计算出了金属板和金属柱目标的rcs。在涡旋波照射下，目标的镜面反射现象消失， rcs的峰值出现在非镜像方向。研究结果表明，oam涡旋波雷
达可以提高在非镜像方向上对目标的探测能力。随后该小组又于2020年开展了电大尺寸标准目标体在涡旋波照射下散射特性的研究，利用物理光学的方法计算了涡旋波的散射场，并详细分析了其相位和oam谱。研究结果表明，对于轴对称目标体，散射场保留了涡旋波的主要特征，目标的后向散射随着oam涡旋波的模态指数变化而明显变化。
8.综上，我们对相关国内外研究现状做出总结。从探测波束和被探测目标两个维度来看，平面波与常规目标的相互作用属于普遍存在的散射场景，平面波与超表面隐身目标的散射作用也已有大量研究；oam涡旋波与常规目标的散射作用研究已初步展开，并取得了一系列成果，而oam涡旋波入射到超表面隐身目标时的散射特性研究尚未见公开报道。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，在oam模式下超表面隐身目标会展现出强后向散射峰，利用oam涡旋波探测超表面隐身目标。
10.为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
11.本实用新型提供了一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，包括环形阵列天线，所述环形阵列天线背面安装微带线型移相器，所述微带线型移相器通过同轴传输线与一分十六功分器相连接。
12.进一步，所述环形阵列天线背面等距的安装十六个所述微带线型移相器。
13.进一步，所述环形阵列天线安装在支撑台上。
14.进一步，所述支撑台与所述环形阵列天线相离的一面与超表面相安装。
15.进一步，所述超表面为棋盘结构。
16.进一步，所述支撑台安装在转台上。
17.进一步，所述环形阵列天线的一侧间隔的设有接收探头。
18.进一步，所述接收探头、所述环形阵列天线、所述支撑台和所述超表面均安装在微波暗室内。
19.本实用新型的有益效果为：利用oam涡旋波在雷达探测领域的全新自由度，提出oam涡旋波探测超表面隐身目标的散射特性测量装置，解决了超表面隐身目标的探测问题。
附图说明
20.图1 为本实用新型一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置的结构示意图；
21.图2为环形阵列天线的结构示意图；
22.图3为微带线型移相器的结构示意图；
23.图4为一分十六功分器的结构示意图；
24.图5为超表面的结构示意图；
25.图6为本实用新型一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置的流程图；
26.图7仿真得到的平面波入射时棋盘结构超表面的散射场分布；
27.图8仿真得到的l=
±
2的涡旋波入射时棋盘结构超表面的散射场分布；
28.图9一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置的测量结果。
具体实施方式
29.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
30.请参阅图1至图5，一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，包括环形阵列天线1，所述环形阵列天线1背面安装微带线型移相器2，所述微带线型移相器2通过同轴传输线3与一分十六功分器4相连接。
31.所述环形阵列天线1背面等距的安装十六个所述微带线型移相器2。
32.所述环形阵列天线1安装在支撑台8上。
33.作为一种具体的实施方式，支撑台8可以是泡沫材料，环形阵列天线1的每个单元后面均连接一个微带线型移相器2，且相邻的单元馈电相位差为2πl/n（l为oam模式指数，n为单元个数），经过微带线型移相器2后通过同轴线缆与一分十六功分器4的输出端口相连，在距离转台6远场区域设置探头7用以接收超表面5的散射场，一分十六功分器4与接收探头7分别与矢量网络分析仪9的两个端口相连。
34.如图6所示，矢量网络分析仪9与计算机10相连接，计算机10与控制器11相连接，控制器11为控制转台6底部的电机转动，从而带动转台6和支撑台8转动。
35.其中，计算机10用于接收并处理矢量网络分析仪9所传输的数据。
36.所述支撑台4与所述环形阵列天线1相离的一面与超表面5相安装。
37.所述超表面5为棋盘结构。
38.作为一种具体的实施方式，环形阵列天线1上安装微带线型移相器2，同轴传输线3一端与微带线型移相器2相连接，另一端与一分十六功分器4相连接。
39.所述支撑台4安装在转台6上。
40.作为一种具体的实施方式，转台6下部可安装电机，电机带动转台6旋转从而带动支撑台4旋转。
41.所述环形阵列天线1的一侧间隔的设有接收探头7。
42.接收探头7的作用为：为接收设备对超表面隐身目标进行远场散射方向图测量。
43.所述接收探头7、所述环形阵列天线1、所述支撑台4和所述超表面5均安装在微波暗室内。
44.其中，环形阵列天线1包含16个工作于4.8ghz的微带贴片天线101，并且为了不影响后向散射测量，环形阵列天线1中间采用镂空设计。
45.一分十六功分器4的作用为将信号等分为16等份；
46.微带线型移相器2的作用为产生oam涡旋波；
47.棋盘结构的超表面5的作用为反射信号，且可利用相位相消原理将平面波转移到对角线方向，从而实现后向rcs减缩；
48.请再次参阅图6，作为一种具体的实施方式，为了产生轨道角动量（orbital angular momentum，oam）涡旋波，需要利用一分十六功分器4及微带线型移相器2对环形阵列天线1进行馈电，然后利用支撑台8将环形阵列天线1与超表面5隐身目标进行固定，放置
于微波暗室内的转台上，并将oam天线与接收探头分别连接矢量网络分析仪的两个端口；最后，通过转台6的转动测量不同方向的散射场数据并利用origin绘图软件绘制超表面隐身目标的散射方向图。通过实验测量发现，在该oam模式下超表面隐身目标会形成强后向散射，从而大大提高该类目标的发现概率。
49.该装置，基于oam涡旋波特殊的波前相位分布，以oam模式l=
±
2的涡旋波作为入射波束，打破了棋盘结构超表面的相位相消机制，使散射波不再分布于对角线方向而是集中于法向，增强了该隐身目标的后向散射，从而大大提高了该类目标的发现能力，为解决超表面隐身目标的探测问题提供了新的技术方案。
50.图7和图8是仿真得到的三维散射方向图，并且图7是传统的平面波探测超表面隐身目标的散射图；
51.图8是本装置仿真得到的利用oam涡旋波探测超表面隐身目标的方向图，
52.图9是测量得到的二维散射方向图。
53.以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求。

技术特征：
1.一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：包括环形阵列天线（1），所述环形阵列天线（1）背面安装微带线型移相器（2），所述微带线型移相器（2）通过同轴传输线（3）与一分十六功分器（4）相连接。2.根据权利要求1所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述环形阵列天线（1）背面等距的安装十六个所述微带线型移相器（2）。3.根据权利要求2所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述环形阵列天线（1）安装在支撑台（8）上。4.根据权利要求3所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述支撑台（8）与所述环形阵列天线（1）相离的一面与超表面（5）相安装。5.根据权利要求4所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述超表面（5）为棋盘结构。6.根据权利要求4所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述支撑台（8）安装在转台（6）上。7.根据权利要求6所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述环形阵列天线（1）的一侧间隔的设有接收探头（7）。8.根据权利要求7所述的一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，其特征在于：所述接收探头（7）、所述环形阵列天线（1）、所述支撑台（8）和所述超表面（5）均安装在微波暗室内。

技术总结
本实用新型提供一种涡旋波入射下的超表面隐身目标散射特性测量装置，包括环形阵列天线，所述环形阵列天线背面安装微带线型移相器，所述微带线型移相器通过同轴传输线与一分十六功分器相连接；利用OAM涡旋波在雷达探测领域的全新自由度，提出OAM涡旋波探测超表面隐身目标的散射特性测量装置，解决了超表面隐身目标的探测问题。身目标的探测问题。身目标的探测问题。


技术研发人员：张迪 贺昌辉 邹雄 陈一畅 张琳
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军预警学院
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/9/3