專利名稱：利用次波長諧振單元構(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩。
背景技術(shù)：
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(jié)構(gòu)強度、氣動外形和特殊功能要求于一體的功能結(jié)構(gòu)件。要求它既保護天線免受惡劣環(huán)境侵害，還要保持滿足雷達發(fā)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(jīng)過近五十年的發(fā)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制，為我國雷達罩發(fā)展積累了經(jīng)驗。但是同發(fā)達國家同類產(chǎn)品比較還有很大不足，主要體現(xiàn)在材料和工藝水平還不能跟上電性能設(shè)計的要求。隨著近年來制造業(yè)中質(zhì)量管理系統(tǒng)的普及，對產(chǎn)品進行質(zhì)量管理、 可視化生產(chǎn)已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。對于大型地面雷達天線罩這種非標準化生產(chǎn)的產(chǎn)品， 其工藝過程的控制是比較困難的，也是勢在必行的。鑒于雷達罩的成型工藝及其復(fù)雜的工作環(huán)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(xiàn)在更高的耐濕熱性、更好的力學(xué)性能和更好的透波性能。在天線罩的耐濕熱性以及力學(xué)性能上，由于目前使用的雷達罩一般是由增強材料和樹脂基體經(jīng)一定工藝過程復(fù)合而成，所以要提高雷達罩的耐濕熱性，可以從增強材料、樹脂基體和表面涂覆等方面采取，而且目前國際上關(guān)于這一塊已經(jīng)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(nèi)外研究的主要方向。雷達天線罩的透波性能主要取決于它的電學(xué)厚度，電學(xué)厚度與雷達罩的物理厚度、工作頻率、材料類型(這里的材料類型主要是指介電常數(shù)和損耗角正切，因為一般材料磁導(dǎo)率與真空環(huán)境相等)、涂層和涂料以及使用的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。目前廣泛應(yīng)用的雷達罩的基本結(jié)構(gòu)是蜂窩夾層結(jié)構(gòu).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(xué)性能受其結(jié)構(gòu)厚度的影響很大，成指數(shù)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(fēng)險管理上有嚴格的控制范圍。采用低介質(zhì)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(tǒng)方案上的材料并不能實現(xiàn)完美的匹配，透波效果并不理想，關(guān)鍵一點還是由于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于折射使得接收或者輻射的信號相位產(chǎn)生變形，嚴重影響到了天線罩的電特性，因此迫切需要出現(xiàn)新型的具有完美電磁特性的天線罩材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用次波長諧振單元構(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩，利用次波長諧振結(jié)構(gòu)在某些頻帶內(nèi)諧振時其等效相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率獨立可調(diào)的特點，適當(dāng)調(diào)節(jié)次波長諧振結(jié)構(gòu)的形狀尺寸，使得次波長諧振結(jié)構(gòu)的等效相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率相等，并且等于空氣的相對介電常數(shù)，從而實現(xiàn)完美匹配無折射透射的理想
天線罩。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結(jié)構(gòu)，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端口延伸至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于1/4工作波長。所述的十字型的金屬銅片的兩側(cè)寬度相等，其寬度小于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(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是 1)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，耐腐蝕性好。2)結(jié)構(gòu)多變，加工簡單，可以針對不同的天線形狀設(shè)計相應(yīng)的天線罩形狀。3)匹配效果好，透射率極高，經(jīng)過實例仿真驗證，在通帶時的傳輸系數(shù)為-0. 02dB。4)折射率穩(wěn)定，與空氣高度一致，不會對信號產(chǎn)生任何干擾。本發(fā)明可廣泛用于當(dāng)今各種頻段的雷達保護裝備等應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1是次波長諧振結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)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(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1、圖2所示，本發(fā)明每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結(jié)構(gòu)，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的四個端口延伸至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于1/4工作波長。金屬次波長結(jié)構(gòu)在工作頻段附近只產(chǎn)生電諧振，使整個單元在工作頻帶內(nèi)的等效相對介電常數(shù)與空氣相等，實現(xiàn)全匹配無折射透射。所述的十字型的金屬銅片1的兩側(cè)寬度相等，其寬度小于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(zhì)板，保證介質(zhì)板的相對磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率相等，利用金屬次波長諧振結(jié)構(gòu)在某些頻帶內(nèi)會出現(xiàn)電諧振的特性，調(diào)節(jié)次波長諧振結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸使其在工作頻帶內(nèi)的等效相對介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)相等，最終實現(xiàn)完美無折射透射。所用的Rogers非磁性介質(zhì)板有較強的剛度，沒有磁效應(yīng)，其相對磁導(dǎo)率與空氣的相對磁導(dǎo)率相等，相對介電常數(shù)較大，用以縮小次波長諧振結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(dāng)天線工作時，入射到該結(jié)構(gòu)上的電磁波，在多個單元上的片狀金屬間產(chǎn)生電諧振，調(diào)節(jié)十字型的金屬銅片1的尺寸，可以實現(xiàn)在某個頻率段時候該金屬單元的等效相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率相等，實現(xiàn)了完美匹配透射，形成通帶。同時由于該結(jié)構(gòu)的等效磁導(dǎo)率與空氣相等，使得該次波長諧振結(jié)構(gòu)的等效折射率與空氣一致，即實現(xiàn)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(zhì)，即可以加工成任意形狀的天線罩，從而在保護天線設(shè)備的同時完全不會干擾信號的接收與發(fā)射。本次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的實例如圖1所示?；締卧Y(jié)構(gòu)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(shù)為11. 2， 損耗正切為0. 0022，相對磁導(dǎo)率為1。當(dāng)天線工作時，周期排列的此波長諧振結(jié)構(gòu)單元上的十字型的金屬銅片 1會形成電諧振，而且由于單元結(jié)構(gòu)小于1/4工作波長，使得周期排列的該金屬單元結(jié)構(gòu)可以等效為均勻介質(zhì)。其等效的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)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(zhì)相
對介電常數(shù)的實部，ε 、ω、為該等效介質(zhì)相對介電常數(shù)的虛部(由于選用的介質(zhì)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(zhì)相對介電
常數(shù)的實部，為該等效介質(zhì)相對介電常數(shù)的虛部(由于選用的介質(zhì)板一般損耗極小，這部分的大小可以忽略，即幾乎無損耗)，由于結(jié)構(gòu)不存在磁諧振，因此該結(jié)構(gòu)的等效相對磁導(dǎo)率戰(zhàn)。適當(dāng)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(zhì)
的介質(zhì)參數(shù)在所需工作頻率上滿足- ￡0 /^ll,即相對介電常數(shù)的與相對
磁導(dǎo)率的比值與空氣相等，這樣就實現(xiàn)了與空氣阻抗的完美匹配，形成完美透波性。同時，
由于= ^j, μ(ω) 二凡該結(jié)構(gòu)的等效折射率與空氣相等，電磁波透射后無論在相
位還是幅度變化上與真空環(huán)境無異，因此完全不會造成接收或者發(fā)射信號的失真。將很多個單元周期排列，即可構(gòu)成均勻等效介質(zhì)，從而根據(jù)雷達天線的形狀設(shè)計成相應(yīng)的天線罩結(jié)構(gòu)。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(fā)明介紹的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)單元長度為30mm，即僅相當(dāng)于工作波長的四分之一，完全滿足等效介質(zhì)理論，可作為均勻介質(zhì)。根據(jù)仿真結(jié)果顯示， 在工作頻帶中心，垂直入射時的透射系數(shù)僅為-0. 02dB，幾乎完美透射。而且根據(jù)反演算法得到了該介質(zhì)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(jié)構(gòu)構(gòu)成的等效介質(zhì)完全可以作為電磁波真空環(huán)境，對信號不會有任何影響。本發(fā)明的工作頻率為2. 5GHz，如果要工作在其他頻率，需要根據(jù)工作波長比例調(diào)整次波長諧振結(jié)構(gòu)單元的尺寸。以上所述，僅是本發(fā)明的在2. 5GHz特定頻率的較佳實例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限定，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)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(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實例所作的任何的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用次波長諧振單元構(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩，其特征在于每個次波長諧振單元由兩層材料組成，呈正方形結(jié)構(gòu)，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)的四個端口延伸至 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(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用次波長諧振單元構(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩， 其特征在于所述的次波長諧振單元的長度小于1/4工作波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用次波長諧振單元構(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩， 其特征在于所述的十字型的金屬銅片(1)的兩側(cè)寬度相等，其寬度小于次波長諧振單元一個邊長的十分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用次波長諧振單元構(gòu)成的全匹配無折射雷達天線罩， 其特征在于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(fā)明公開了一種利用次波長諧振單元構(gòu)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(jié)構(gòu)，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端口延伸至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(fā)明設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，耐腐蝕性好；結(jié)構(gòu)多變，加工簡單，可以針對不同的天線形狀設(shè)計相應(yīng)的天線罩形狀；匹配效果好，透射率極高，經(jīng)過實例仿真驗證，在通帶時的傳輸系數(shù)為-0.02dB；折射率穩(wěn)定，與空氣高度一致，不會對信號產(chǎn)生任何干擾。本發(fā)明可廣泛用于當(dāng)今各種頻段的雷達保護裝備等應(yīng)用領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者冉立新, 葉德信, 張斌, 皇甫江濤 申請人:浙江大學(xué)