一種緊縮場產生裝置的製作方法

2023-08-09 06:44:41 2

本發明涉及天線測試領域，更具體地說，涉及一種基於超材料的緊縮場產生裝置。

背景技術：
緊縮場是一種在近距離內靠光滑的反射面，包括單反射面和雙反射面，將饋源發出的球面波變為平面波的測試設備。它所產生的平面波環境，可以充分滿足天線方向圖的測試要求，從而達到在近距離內對天線進行測試的目的。緊縮場系統上可以分為緊縮場天線部分和微波暗室部分。在現有技術中，緊縮場天線部分是採用精密的反射面，將點源產生的球面波在近距離內變換為平面波的一套裝置，通常按照設計要求，將天線部分的位置準確地安裝於微波暗室中，並調節好水平度，通過對緊縮場天線反射面邊緣的處理和微波暗室的配合，在空間測試區域創造出一個靜區，在靜區裡可以模擬被測物在無反射的自由空間中的輻射特性。與室外遠場和室內近場比較，緊縮場主要具有以下特點：1、安裝在微波暗室的緊縮場具有較好的保密性；2、安裝在室內的緊縮場受氣候環境影響小，改善了測試條件，進而提高了RCS(RadarCross-Section，雷達散射截面)的測量效率；3、可以將室外遠場測試問題轉換為暗室內近距離測試問題。這些特點決定了緊縮場是研究電磁散射的重要測試設備，也是高性能雷達天線測試、衛星整星測試、飛機反射特性測試等系統性能測試的重要基礎設施。同時，緊縮場技術在軍事領域越來越發揮著不可替代的作用。無論是衛星、飛機，還是飛彈、坦克、大炮等大型武器裝備的隱身性能測試、調整等，都依賴於發揮緊縮場的技術作用。可以說，緊縮場的技術水平如何，不僅制約著軍隊武器裝備的性能與質量，也關係到一個國家的國防安全問題。因此，當今各大軍事強國都把緊縮場系統作為國防戰略技術之一，重點加以研究和發展。目前，國內外從事電磁產品研發和技術研究的公司及科研院所，一般都建立了自己的緊縮場系統，使用起來非常方便和快捷。緊縮場系統作為現代天線測試的先進設備，無疑具有越來越重要的技術進步意義和極其廣泛的運用前景。但現有設計仍存在一定的問題：採用的光滑反射面是拋物面狀，且反射面必須很大，大約比測試靜區大三倍，製造拋物面狀反射面的機械平臺十分複雜，要達到較好的反射面工藝也比較困難，表面處理依賴度高，造價昂貴，且饋源位置必須置於反射面的焦點上，否則沒法達到球面波與平面波的轉換，而反射面的焦點與光滑反射面的距離給製造工藝精度造成了很大困難。

技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術製造光滑反射面必須很大，且工藝困難、複雜，造價昂貴的缺陷，提供一種基於超材料的緊縮場產生裝置，該裝置採用超材料製造緊縮場的天線部分，將球面電磁波轉換為平面電磁波，製造簡單，價格便宜。為了達到上述目的，本發明採用的如下技術方案：一種緊縮場產生裝置，所述裝置包括饋源以及設置在饋源後方的超材料面板，所述饋源設置在超材料面板的下沿，所述超材料面板包括核心層及設置在核心層一側表面的反射板，所述核心層包括厚度相同且折射率分布相同的多個核心層片層，所述核心層片層包括片狀的第一基材以及設置在第一基材上的多個第一人造微結構，所述核心層片層的折射率分布滿足如下公式：Vseg＝s+λ*NUMseg；其中，n(r)表示核心層片層上半徑為r處的折射率值；s為饋源等效點到超材料面板的垂直距離；nmax表示核心層片層的折射率的最大值；nmin表示核心層片層的折射率的最小值；λ表示電磁波的波長；floor表示向下取整。進一步地，所述第一基材包括片狀的第一前基板及第一後基板，所述多個第一人造微結構夾設在第一前基板與第一後基板之間。進一步地，所述超材料面板還包括設置在核心層另一側表面的阻抗匹配層，所述阻抗匹配層包括厚度相同的多個阻抗匹配層片層，所述阻抗匹配層片層包括片狀的第二基材以及設置在第二基材上的多個第二人造微結構，所述阻抗匹配層片層的折射率分布滿足如下公式：λ＝(nmax-nmin)*(d1+2*d2)；其中，i表示阻抗匹配層片層的編號，靠近饋源的阻抗匹配層片層的編號為m，由饋源向核心層方向，編號依次減小，靠近核心層的阻抗匹配層片層的編號為1；上述的nmax與nmin與核心層片層的折射率的最大值與最小值相同；d1為阻抗匹配層的厚度；d2為核心層的厚度。進一步地，所述第二基材包括片狀的第二前基板及第二後基板，所述多個第二人造微結構夾設在第二前基板與第二後基板之間。進一步地，所述超材料面板的縱截面為方形、圓形或橢圓形。進一步地，所述第一人造微結構及第二人造微結構均為由銅線或銀線構成的金屬微結構，所述金屬微結構通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法分別附著在第一基材及第二基材上。進一步地，所述金屬微結構呈平面雪花狀，所述金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個第一金屬分支的中點上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個第二金屬分支的中點上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。進一步地，所述平面雪花狀的金屬微結構的每個第一金屬分支及每個第二金屬分支的兩端還連接有完全相同的第三金屬分支，相應的第三金屬分支的中點分別與第一金屬分支及第二金屬分支的端點相連。進一步地，所述平面雪花狀的金屬微結構的第一金屬線與第二金屬線均設置有兩個彎折部，所述平面雪花狀的金屬微結構繞垂直於第一金屬線與第二金屬線交點的軸線向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。根據本發明的緊縮場產生裝置，由片狀的超材料面板代替了傳統的拋物狀反射面，製造加工更加容易，成本更加低廉。附圖說明圖1是本發明的緊縮場產生裝置的結構示意圖；圖2是本發明的核心層片層其中一個超材料單元的透視示意圖；圖3是本發明的核心層片層的結構示意圖；圖4是本發明的阻抗匹配層片層的結構示意圖；圖5是本發明的平面雪花狀的金屬微結構的示意圖；圖6是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種衍生結構；圖7是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種變形結構。圖8是平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀的演變的第一階段；圖9是平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀的演變的第二階段。具體實施方式如圖1至圖3所示，根據本發明一種緊縮場產生裝置包括饋源1以及設置在饋源1後方的超材料面板100，所述饋源1設置在超材料面板100的下沿，所述超材料面板100包括核心層10及設置在核心層一側表面上的反射板200，所述核心層10包括厚度相同且折射率分布相同的多個核心層片層11，所述核心層片層包括片狀的第一基材13以及設置在第一基材13上的多個第一人造微結構12，饋源中心軸Z1與超材料面板100的中軸線Z2具有一定的夾角θ，即圖1中的中軸線Z1與直線Z3的夾角(Z3為Z1的平行線)饋源1不在超材料面板100的中軸線Z2上。另外饋源為傳統的波紋喇叭。核心層片層的縱截面形狀根據不同需要可以方形、圓形或橢圓形。另外，本發明中，反射板為具有光滑的表面的金屬反射板，例如可以是拋光的銅板、鋁板或鐵板等，也可是PEC(理想電導體)反射面。本發明中，所述核心層片層的折射率分布滿足如下公式：Vseg＝s+λ*NUMseg(2)；其中，n(r)表示核心層片層上半徑為r處的折射率值；s為饋源等效點X到超材料面板的垂直距離；饋源中心軸Z1與超材料面板100的中軸線Z2的夾角θ發生變化時，s也會發生細微變化。nmax表示核心層片層的折射率的最大值；nmin表示核心層片層的折射率的最小值；λ表示電磁波的波長；floor表示向下取整，例如，當(r處於某一數值範圍)大於等於0小於1時，NUMseg取0，當(r處於某一數值範圍)大於等於1小於2時，NUMseg取1，依此類推。由公式(1)至公式(4)所確定的超材料面板，能夠使得饋源發出的電磁波經超材料面板後能夠以平面波的形式出射。本發明中，如圖3所示，所述第一基材13包括片狀的第一前基板131及第一後基板132，所述多個第一人造微結構12夾設在第一前基板131與第一後基板132之間。優選地，所述核心層片層的厚度為0.818mm，其中，第一前基板及第一後基板的厚度均為0.4mm，多個第一人造微結構的厚度為0.018mm。本發明中，所述超材料面板100還包括設置在核心層10另一側表面的阻抗匹配層20，所述阻抗匹配層20包括厚度相同的多個阻抗匹配層片層21，所述阻抗匹配層片層21包括片狀的第二基材23以及設置在第二基材23上的多個第二人造微結構(圖中未標示)，所述阻抗匹配層片層的折射率分布滿足如下公式：λ＝(nmax-nmin)*(d1+2*d2)(6)；其中，i表示阻抗匹配層片層的編號，靠近饋源的阻抗匹配層片層的編號為m，由饋源向核心層方向，編號依次減小，靠近核心層的阻抗匹配層片層的編號為1；上述的nmax與nmin與核心層片層的折射率的最大值與最小值相同；d1為阻抗匹配層的厚度，即阻抗匹配層片層的厚度與層數的乘積。d2為核心層的厚度，即核心層片層的厚度與層數的乘積。本發明中，如圖4所示，所述第二基材23包括片狀的第二前基板231及第二後基板232，所述多個第二人造微結構夾設在第二前基板231與第二後基板232之間。優選地，所述阻抗匹配層片層的厚度為0.818mm，其中，第二前基板及第二後基板的厚度均為0.4mm，多個第二人造微結構的厚度為0.018mm。公式(6)用於確定核心層與匹配層的厚度，當核心層的厚度確定後，利用公式(6)即可得到匹配層的厚度，用此厚度除以每層的厚度即得到阻抗匹配層的層數m。本發明中，所述超材料面板任一縱截面具有相同的形狀與面積，即核心層與匹配層具有相同的形狀與面積的縱截面，此處的縱截面是指超材料面板中與超材料面板的中軸線垂直的剖面。所述超材料面板的縱截面為方形、圓形或橢圓形，優選地，所述超材料平板透鏡的縱截面為方形，這樣得到的超材料面板容易加工。優選地，本發明的超材料面板的縱截面為邊長為400mm的正方形。本發明中，所述第一人造微結構、第二人造微結構均為由銅線或銀線構成的金屬微結構，所述金屬微結構通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法分別附著在第一基材、第二基材。優選地，所述第一人造微結構、第二人造微結構均為圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構通過拓撲形狀演變得到的多個不同的拓撲形狀的金屬微結構。本發明中，核心層片層可以通過如下方法得到，即在第一前基板與第一後基板的任意一個的表面上覆銅，再通過蝕刻的方法得到多個第一金屬微結構(多個第一金屬微結構的形狀與排布事先通過計算機仿真獲得)，最後將第一前基板與第一後基板分別壓合在一起，即得到本發明的核心層片層，壓合的方法可以是直接熱壓，也可以是利用熱熔膠連接，當然也可是其它機械式的連接，例如螺栓連接。同理，阻抗匹配層片層也可以利用相同的方法得到。然後分別將多個核心層片層壓合一體，即形成了本發明的核心層；同樣，將多個阻抗匹配層片層壓合一體，即形成了本發明的阻抗匹配層；將核心層、阻抗匹配層壓合一體即得到本發明的超材料面板。本發明中，所述第一基材、第二基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等製得。高分子材料可選用的有F4B複合材料、FR-4複合材料等。優選地，本發明中，所述第一基材的第一前基板與第一後基板採用相同的FR-4複合材料；同樣，本發明中，所述第二基材的第二前基板與第二後基板也採用相同的FR-4複合材料。圖5所示為平面雪花狀的金屬微結構的示意圖，所述的雪花狀的金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線J1及第二金屬線J2，所述第一金屬線J1與第二金屬線J2的長度相同，所述第一金屬線J1兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支F1，所述第一金屬線J1兩端連接在兩個第一金屬分支F1的中點上，所述第二金屬線J2兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支F2，所述第二金屬線J2兩端連接在兩個第二金屬分支F2的中點上，所述第一金屬分支F1與第二金屬分支F2的長度相等。圖6是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種衍生結構。其在每個第一金屬分支F1及每個第二金屬分支F2的兩端均連接有完全相同的第三金屬分支F3，並且相應的第三金屬分支F3的中點分別與第一金屬分支F1及第二金屬分支F2的端點相連。依此類推，本發明還可以衍生出其它形式的金屬微結構。圖7是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種變形結構，此種結構的金屬微結構，第一金屬線J1與第二金屬線J2不是直線，而是彎折線，第一金屬線J1與第二金屬線J2均設置有兩個彎折部WZ，但是第一金屬線J1與第二金屬線J2仍然是垂直平分，通過設置彎折部的朝向與彎折部在第一金屬線與第二金屬線上的相對位置，使得圖7所示的金屬微結構繞垂直於第一金屬線與第二金屬線交點的軸線向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。另外，還可以有其它變形，例如，第一金屬線J1與第二金屬線J2均設置多個彎折部WZ。本發明中，所述核心層片層11可以劃分為陣列排布的多個如圖2所示的超材料單元D，每個超材料單元D包括前基板單元U、後基板單元V及設置在基板單元U、後基板單元V之間的第一人造微結構12，通常超材料單元D的長寬高均不大於五分之一波長，優選為十分之一波長，因此，根據緊縮場的工作頻率可以確定超材料單元D的尺寸。圖2為透視的畫法，以表示第一人造微結構的超材料單元D中的位置，如圖2所示，所述第一人造微結構夾於基板單元U、後基板單元V之間，其所在表面用SR表示。已知折射率其中μ為相對磁導率，ε為相對介電常數，μ與ε合稱為電磁參數。實驗證明，電磁波通過折射率非均勻的介質材料時，會向折射率大的方向偏折。在相對磁導率一定的情況下(通常接近1)，折射率只與介電常數有關，在第一基材選定的情況下，利用只對電場響應的第一人造微結構可以實現超材料單元折射率的任意值(在一定範圍內)，在該緊縮場工作頻率(12.5GHZ)下，利用仿真軟體，如CST、MATLAB等，通過仿真獲得某一特定形狀的人造微結構(如圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構)的介電常數隨著拓撲形狀的變化折射率變化的情況，即可列出一一對應的數據，即可設計出我們需要的特定折射率分布的核心層片層11，同理可以得到阻抗匹配層片層的折射率分布，從而得到整個超材料面板100的折射率分布。本發明中，核心層片層的結構設計可通過計算機仿真(CST仿真)得到，具體如下：(1)確定第一金屬微結構的附著基材(第一基材)。本明中，所述第一基材的第一前基板與第一後基板採用相同的FR-4複合材料製成，所述的FR-4複合材料製成具有一個預定的介電常數，例如介電常數為3.3的FR-4複合材料。(2)確定超材料單元的尺寸。超材料單元的尺寸的尺寸由緊縮場的工作頻率得到，利用頻率得到其波長，再取小于波長的五分之一的一個數值做為超材料單元D的長度CD與寬度KD。本發明中，所述超材料單元D為如圖2所示的長CD與寬KD均為2.5mm、厚度HD為0.818mm的方形小板。(3)確定金屬微結構的材料及拓撲結構。本發明中，金屬微結構的材料為銅，金屬微結構的拓撲結構為圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構，其線寬W各處一致；此處的拓撲結構，是指拓撲形狀演變的基本形狀。(4)確定金屬微結構的拓撲形狀參數。如圖5所示，本發明中，平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀參數包括金屬微結構的線寬W，第一金屬線J1的長度a，第一金屬分支F1的長度b。(5)確定金屬微結構的拓撲形狀的演變限制條件。本發明中，金屬微結構的拓撲形狀的演變限制條件有，金屬微結構之間的最小間距WL(即如圖8所示，金屬微結構與超材料單元的長邊或寬邊的距離為WL/2)，金屬微結構的線寬W，超材料單元的尺寸；由於加工工藝限制，WL大於等於0.1mm，同樣，線寬W也是要大於等於0.1mm。本發明中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料單元的尺寸為長與寬為2.5mm，厚度為0.818mm，此時金屬微結構的拓撲形狀參數只有a和b兩個變量。金屬微結構的拓撲形狀的通過如圖8至圖9所示的演變方式，對應於某一特定頻率(例如12.5GHZ)，可以得到一個連續的折射率變化範圍。具體地，所述金屬微結構的拓撲形狀的演變包括兩個階段(拓撲形狀演變的基本形狀為圖5所示的金屬微結構)：第一階段：根據演變限制條件，在b值保持不變的情況下，將a值從最小值變化到最大值，此演變過程中的金屬微結構均為「十」字形(a取最小值時除外)。本實施例中，a的最小值即為0.3mm(線寬W)，a的最大值為(CD-WL)，即2.5-0.1mm，則a的最大值為2.4mm。因此，在第一階段中，金屬微結構的拓撲形狀的演變如圖8所示，即從邊長為W的正方形JX1，逐漸演變成最大的「十」字形拓撲形狀JD1，在最大的「十」字形拓撲形狀JD1中，第一金屬線J1與第二金屬線J2長度均為2.4mm，寬度W均為0.3mm。在第一階段中，隨著金屬微結構的拓撲形狀的演變，與其對應的超材料單元的折射率連續增大((對應緊縮場的一特定頻率)，當頻率為12.5GHZ時，超材料單元對應的折射率的最小值nmin為1.91。第二階段：根據演變限制條件，當a增加到最大值時，a保持不變；此時，將b從最小值連續增加到最大值，此演變過程中的金屬微結構均為平面雪花狀。本實施例中，b的最小值即為0.3mm(線寬W)，b的最大值為(CD-WL-2W)，即2.5-0.1-2*0.3mm，則b的最大值為1.8mm。因此，在第二階段中，金屬微結構的拓撲形狀的演變如圖9所示，即從最大的「十」字形拓撲形狀JD1，逐漸演變成最大的平面雪花狀的拓撲形狀JD2，此處的最大的平面雪花狀的拓撲形狀JD2是指，第一金屬分支J1與第二金屬分支J2的長度b已經不能再伸長，否則第一金屬分支與第二金屬分支將發生相交，b的最大值為1.8mm。此時，第一金屬線與第二金屬線長度均為2.4mm，寬度均為0.3mm，第一金屬分支及第二金屬分支的長度均為1.8mm，寬度為0.3mm。在第二階段中，隨著金屬微結構的拓撲形狀的演變，與其對應的超材料單元的折射率連續增大(對應緊縮場的一特定頻率)，當頻率為12.5GHZ時，超材料單元對應的折射率的最大值nmax為5.6。通過上述演變得到超材料單元的折射率變化範圍(1.91-5.6)滿足設計需要。如果上述演變得到超材料單元的折射率變化範圍不滿足設計需要，例如最大值太小，則變動WL與W，重新仿真，直到得到我們需要的折射率變化範圍。根據公式(1)，將仿真得到的一系列的超材料單元按照其對應的折射率排布以後(實際上就是不同拓撲形狀的多個第一人造微結構在第一基材上的排布)，即能得到本發明的核心層片層。同理，可以得到本發明的阻抗匹配層片層。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。