利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩的製作方法
2023-05-21 20:54:51
專利名稱：利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷達天線罩，特別是涉及一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩。
背景技術：
雷達天線罩是天線的電磁窗口和保護罩，它是集電氣性能、結構強度、氣動外形和特殊功能要求於一體的功能結構件。要求它既保護天線免受惡劣環境侵害，還要保持滿足雷達發射接收的全部電性能要求，即對雷達信號的傳輸要求具有最小的波瓣畸變和功率吸收。不僅地面雷達需要加載天線罩，機載、彈載雷達更需要天線罩的保護。我國的地面雷達罩自上世紀六十年代年開始起，經過近五十年的發展，取得了一定的成就，特別是直徑44米的蜂窩夾層玻璃鋼雷達罩的成功研製，為我國雷達罩發展積累了經驗。但是同發達國家同類產品比較還有很大不足，主要體現在材料和工藝水平還不能跟上電性能設計的要求。隨著近年來製造業中質量管理系統的普及，對產品進行質量管理、 可視化生產已經顯現出巨大的優勢。對於大型地面雷達天線罩這種非標準化生產的產品， 其工藝過程的控制是比較困難的，也是勢在必行的。鑑於雷達罩的成型工藝及其複雜的工作環境，人們對雷達罩基本材料提出了越來越高的要求，主要表現在更高的耐溼熱性、更好的力學性能和更好的透波性能。在天線罩的耐溼熱性以及力學性能上，由於目前使用的雷達罩一般是由增強材料和樹脂基體經一定工藝過程複合而成，所以要提高雷達罩的耐溼熱性，可以從增強材料、樹脂基體和表面塗覆等方面採取，而且目前國際上關於這一塊已經有了比較成熟的工藝。因此，雷達天線罩的另一個主要目標保持其更好的透波性能即是目前國內外研究的主要方向。雷達天線罩的透波性能主要取決於它的電學厚度，電學厚度與雷達罩的物理厚度、工作頻率、材料類型(這裡的材料類型主要是指介電常數和損耗角正切，因為一般材料磁導率與真空環境相等)、塗層和塗料以及使用的結構形式有關。目前廣泛應用的雷達罩的基本結構是蜂窩夾層結構.這是因為它具有高傳輸效率、理想的強度重量比和剛度重量比。而雷達罩的電學性能受其結構厚度的影響很大，成指數方趨勢變化，因此各型雷達罩的材料厚度在各種飛機的安全風險管理上有嚴格的控制範圍。採用低介質損耗的新型材料可以有效地提高雷達的探測性能，使其具有較高的透波率、較低的反射率和吸收率。但是目前傳統方案上的材料並不能實現完美的匹配，透波效果並不理想，關鍵一點還是由於天線罩的折射率均比空氣中的要高，電磁波信號入射除了引起一定的反射外還會由於折射使得接收或者輻射的信號相位產生變形，嚴重影響到了天線罩的電特性，因此迫切需要出現新型的具有完美電磁特性的天線罩材料。
發明內容
本發明的目的在於提供一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩，利用次波長諧振結構在某些頻帶內諧振時其等效相對介電常數和相對磁導率獨立可調的特點，適當調節次波長諧振結構的形狀尺寸，使得次波長諧振結構的等效相對介電常數和相對磁導率相等，並且等於空氣的相對介電常數，從而實現完美匹配無折射透射的理想
天線罩。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結構，即在Rogers電路板的一面的正中間鍍有一層十字型的金屬銅片，十字型的金屬銅片的四個埠延伸至Rogers電路板的邊界，次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，整體組成具有全匹配無折射雷達天線罩。所述的次波長諧振單元的長度小於1/4工作波長。所述的十字型的金屬銅片的兩側寬度相等，其寬度小於次波長諧振單元一個邊長的十分之一。所述的次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，至少由16個次波長諧振單元組成。本發明與背景技術相比具有的有益效果是 1)設計結構簡單，質量輕，耐腐蝕性好。2)結構多變，加工簡單，可以針對不同的天線形狀設計相應的天線罩形狀。3)匹配效果好，透射率極高，經過實例仿真驗證，在通帶時的傳輸係數為-0. 02dB。4)折射率穩定，與空氣高度一致，不會對信號產生任何幹擾。本發明可廣泛用於當今各種頻段的雷達保護裝備等應用領域。
圖1是次波長諧振結構單元結構示意圖。圖2是整體平面型雷達天線罩實例示意圖。圖中1.十字型的金屬銅片，2. Rogers電路板。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。如圖1、圖2所示，本發明每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結構，即在Rogers電路板2的一面的正中間鍍有一層十字型的金屬銅片1，十字型的金屬銅片1的四個埠延伸至Rogers電路板2的邊界，次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，整體組成具有全匹配無折射雷達天線罩。所述的次波長諧振單元的長度小於1/4工作波長。金屬次波長結構在工作頻段附近只產生電諧振，使整個單元在工作頻帶內的等效相對介電常數與空氣相等，實現全匹配無折射透射。所述的十字型的金屬銅片1的兩側寬度相等，其寬度小於次波長諧振單元元一個邊長的十分之一。所述的次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，至少由16個次波長諧振單元組成。選擇Rogers非磁性介質板，保證介質板的相對磁導率與真空的磁導率相等，利用金屬次波長諧振結構在某些頻帶內會出現電諧振的特性，調節次波長諧振結構的形狀和尺寸使其在工作頻帶內的等效相對介電常數與空氣的介電常數相等，最終實現完美無折射透射。所用的Rogers非磁性介質板有較強的剛度，沒有磁效應，其相對磁導率與空氣的相對磁導率相等，相對介電常數較大，用以縮小次波長諧振結構的尺寸。如圖1所示，其中對稱的十字型的金屬銅片1是為了實現二維電場極化方向要求， 使得線極化和圓極化天線均可正常工作。當天線工作時，入射到該結構上的電磁波，在多個單元上的片狀金屬間產生電諧振，調節十字型的金屬銅片1的尺寸，可以實現在某個頻率段時候該金屬單元的等效相對介電常數和相對磁導率相等，實現了完美匹配透射，形成通帶。同時由於該結構的等效磁導率與空氣相等，使得該次波長諧振結構的等效折射率與空氣一致，即實現了信號的無折射透射。將多個單元周期排列成等效均勻介質，即可以加工成任意形狀的天線罩，從而在保護天線設備的同時完全不會干擾信號的接收與發射。本次波長諧振結構單元的實例如圖1所示。基本單元結構的長度和寬度均為 30mm，共有兩層材料組成。底層為十字型的金屬銅片1，厚度為0. 035mm，長度為30mm，寬度為0. 2mm。中間層為Rogers電路板2，Rogers電路板2的厚度為2mm，相對介電常數為11. 2， 損耗正切為0. 0022，相對磁導率為1。當天線工作時，周期排列的此波長諧振結構單元上的十字型的金屬銅片 1會形成電諧振，而且由於單元結構小於1/4工作波長，使得周期排列的該金屬單元結構可以等效為均勻介質。其等效的相對介電常數和相對磁導率可以表示為
ε (ω) = S1 (ω) + ε2 (m)和 μ(ω)=兩(ω) + ifI2 (ω),其中《i (ω)為該等效介質相
對介電常數的實部，ε 、ω、為該等效介質相對介電常數的虛部(由於選用的介質板一般
損耗極小，這部分的大小可以忽略，即幾乎無損耗).同理為該等效介質相對介電
常數的實部，為該等效介質相對介電常數的虛部(由於選用的介質板一般損耗極小，這部分的大小可以忽略，即幾乎無損耗)，由於結構不存在磁諧振，因此該結構的等效相對磁導率戰。適當改變片狀十字形金屬銅片的長度、寬度，可以使得該等效介質
的介質參數在所需工作頻率上滿足- ￡0 /^ll,即相對介電常數的與相對
磁導率的比值與空氣相等，這樣就實現了與空氣阻抗的完美匹配，形成完美透波性。同時，
由於= ^j, μ(ω) 二凡該結構的等效折射率與空氣相等，電磁波透射後無論在相
位還是幅度變化上與真空環境無異，因此完全不會造成接收或者發射信號的失真。將很多個單元周期排列，即可構成均勻等效介質，從而根據雷達天線的形狀設計成相應的天線罩結構。本實例中的平板型全匹配無折射雷達天線罩如圖2所示，本發明介紹的結構工作頻率為2. 5GHz,即工作波長為120mm，而本材料的此波長諧振結構單元長度為30mm，即僅相當於工作波長的四分之一，完全滿足等效介質理論，可作為均勻介質。根據仿真結果顯示， 在工作頻帶中心，垂直入射時的透射係數僅為-0. 02dB，幾乎完美透射。而且根據反演算法得到了該介質的折射率為1. 02，幾乎與空氣完全一致。因此，由該次波長諧振結構構成的等效介質完全可以作為電磁波真空環境，對信號不會有任何影響。本發明的工作頻率為2. 5GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據工作波長比例調整次波長諧振結構單元的尺寸。以上所述，僅是本發明的在2. 5GHz特定頻率的較佳實例而已，並非對本發明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或修飾為等同變化的等效實例，但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩，其特徵在於每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結構，即在Rogers電路板(2)的一面的正中間鍍有一層十字型的金屬銅片(1)，十字型的金屬銅片(1)的四個埠延伸至 Rogers電路板(2)的邊界，次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，整體組成具有全匹配無折射雷達天線罩。
2.根據權利要求1所述的一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩， 其特徵在於所述的次波長諧振單元的長度小於1/4工作波長。
3.根據權利要求1所述的一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩， 其特徵在於所述的十字型的金屬銅片(1)的兩側寬度相等，其寬度小於次波長諧振單元一個邊長的十分之一。
4.根據權利要求1所述的一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩， 其特徵在於所述的次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，至少由16個次波長諧振單元組成。
全文摘要
本發明公開了一種利用次波長諧振單元構成的全匹配無折射雷達天線罩。每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結構，即在Rogers電路板的一面的正中間鍍有一層十字型的金屬銅片，十字型的金屬銅片的四個埠延伸至Rogers電路板的邊界，次波長諧振單元沿上下左右方向周期延拓，整體組成具有全匹配無折射雷達天線罩。本發明設計結構簡單，質量輕，耐腐蝕性好；結構多變，加工簡單，可以針對不同的天線形狀設計相應的天線罩形狀；匹配效果好，透射率極高，經過實例仿真驗證，在通帶時的傳輸係數為-0.02dB；折射率穩定，與空氣高度一致，不會對信號產生任何幹擾。本發明可廣泛用於當今各種頻段的雷達保護裝備等應用領域。
文檔編號H01Q1/42GK102354811SQ20111023231
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月15日 優先權日2011年8月15日
發明者冉立新, 葉德信, 張斌, 皇甫江濤 申請人:浙江大學