CN101303407B - 薄膜式红外-雷达波束合成器 - Google Patents

Abstract

薄膜式红外-雷达波束合成器，它涉及一种红外-雷达波束合成器。本发明解决了现有的波束合成器对雷达波产生较大的IPD(插入相位延迟)致使影响测试精度的问题。技术要点：所述波束合成薄膜(2)的厚度为0.005mm～1mm；所述波束合成薄膜(2)由介质基底(2-1)、介质反射膜层(2-2)组成，所述介质反射膜层(2-2)贴附在介质基底(2-1)的外表面上；且所述介质基底(2-1)由聚四氟乙烯材料制成。本发明对雷达波产生的IPD小且能与红外模拟器一起运动，雷达波透过率高、红外反射率高。

Description

薄膜式红外-雷达波束合成器

技术领域

本发明涉及一种红外-雷达波束合成器。

背景技术

随着复合精确制导技术的发展，红外-雷达复合制导以其作用距离远、制导精度高、抗干扰能力强的优点成为世界各国研制的热点，与其相应的仿真试验系统也成为世界各国研究的热点，而红外-雷达波束合成器又是仿真试验系统中的关键技术，其作用是反射红外波、透射雷达波，对于红外信号要起到一个反射镜的作用，对于雷达信号起到透射的作用并且透过率要尽可能高，同时保证对雷达波产生较小的IPD(插入相位延迟)，尤其是在雷达导引头作用范围内，不与雷达目标相互作用产生干扰，保证红外动态模拟器和雷达模拟器叠加，仿真出真实目标的红外和雷达特性，为导引头测试提供双模即红外与雷达复合模拟目标。

国内外现有的红外-雷达波束合成器，为保证其平整性且长时间使用不发生形变，其厚度均比较大，至少为35mm左右，在使用过程中对雷达波产生的IPD都比较大，影响测试结果，虽然可以通过构建一个校准系统对其进行矫正，但在设计上仍然存在很大问题，技术不成熟。另外一方面为防止雷达波衍射现象的发生，波束合成器的直径应为1000mm左右，其重量约为73Kg，且当模拟大运动角度目标时，波束合成器尺寸需要更大，按照目前的技术水平，实现起来有较大困难，由于重量过大，就不能采用波束合成器运动的方案，致使带动红外模拟器运动的机构比较复杂(需要有平动、转动等运动方式相互协调)、目标运动范围小、仿真效果差等缺点。雷达波相对于波束合成器的入射角度的变化带来的IPD的变化也几乎无法矫正，严重影响仿真测试精度。

红外与激光工程的专业期刊刊登了一篇“红外/射频波束合成器研究(公开日为2006年12月31日)”，但文中所述波束合成器只解决过雷达波透过率的问题，并没有解决波束合成器对雷达波产生较大的IPD(插入相位延迟)致使影响测试精度的问题；红外与激光工程的专业期刊刊登了一篇“红外景象模拟器的结构模型及其噪声分析(公开日为2007年09月30日)”，文中公开了一种红外景象模拟器的结构模型，文中所记载的技术方案解决了现有的波束合成器不能随模拟器一起运动的问题。基于以上所述可知，现有技术没能解决雷达波相对于波束合成器的入射角度的变化带来的IPD的变化严重影响仿真测试精度的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的波束合成器对雷达波产生较大的IPD(插入相位延迟)致使影响测试精度的问题，提供了一种薄膜式红外-雷达波束合成器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的薄膜式红外-雷达波束合成器由固定调整机构和波束合成薄膜组成，所述波束合成薄膜固装在固定调整机构上；其特征在于：所述波束合成薄膜的厚度为0.005mm～1mm；所述波束合成薄膜由介质基底、介质反射膜层组成，所述介质反射膜层贴附在介质基底的外表面上；且所述介质基底由聚四氟乙烯材料制成。

本发明具有以下有益效果：本发明对雷达波产生的IPD小且能与红外模拟器一起运动，雷达波透过率高、红外反射率高，完全能满足仿真试验的需要。本发明对雷达波产生的IPD不大于0.8°，雷达波透过率可达99％以上，本发明的总重量约为10Kg，红外反射率达到90％以上，完全满足实际测试使用要求。本发明极好地完成了合成红外和雷达波束的功能，解决了传统波束合成器存在的诸多问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；图2是将本发明安装在转台上的结构示意图；

图3是不同波长的雷达波在水平和垂直方向上的透过系数曲线图(横坐标是入射角-单位是度，纵坐标是透过系数；A1是波长为375mm的雷达波水平透过系数曲线，A2是波长为375mm的雷达波垂直透过系数曲线，A3是波长为196mm的雷达波水平透过系数曲线，A4是波长为196mm的雷达波垂直透过系数曲线，A5是波长为16.7mm的雷达波水平透过系数曲线，A6是波长为16.7mm的雷达波垂直透过系数曲线)；图4是波长为196mm的雷达波在不同厚度的波束合成薄膜上在水平和垂直方向上的IPD曲线图(横坐标是入射角-单位是度，纵坐标是雷达波的IPD；B1是厚度为0.4mm的介质基底在垂直方向的IPD曲线，B2是厚度为0.4mm的介质基底在水平方向的IPD曲线，B3是厚度为0.3mm介质基底在垂直方向的IPD曲线，B4是厚度为0.3mm介质基底在水平方向的IPD曲线，B5是厚度为0.2mm介质基底在垂直方向的IPD曲线，B6是厚度为0.2mm介质基底在水平方向的IPD曲线，B7是厚度为0.1mm介质基底在垂直方向的IPD曲线，B8是厚度为0.1mm介质基底在水平方向的IPD曲线，B9是厚度为0.05mm介质基底在垂直方向的IPD曲线，B10是厚度为0.05mm介质基底在水平方向的IPD曲线)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的薄膜式红外-雷达波束合成器由固定调整机构和波束合成薄膜2组成，所述波束合成薄膜2固装在固定调整机构上。

具体实施方式二：本实施方式所述波束合成薄膜2的厚度为0.005mm～1mm。为了减小水平和垂直方向上的IPD的值及其差值，波束合成器的厚度应该尽可能的减小。考虑到非金属薄膜的加工工艺和加工水平以及在波束合成器的固定过程中的综合因素，在实际中波束合成器的最终厚度选择在0.05mm。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述波束合成薄膜2由介质基底2-1、介质反射膜层2-2组成，所述介质反射膜层2-2贴附在介质基底2-1的外表面上。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式所述介质基底2-1由聚四氟乙烯材料制成。聚四氟乙烯材料的相对介电常数ε为1.9，介电损耗角正切值tanδ为0.0002，完全满足透射雷达波的需要，并且其制作成薄膜的工艺成熟且厚度精度高、工作温度范围宽、膨胀系数随温度变化小，更主要的是其镀膜性能好，膜层牢固不易脱落。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述介质反射膜层2-2由若干层TiO₂反射膜层和若干层SiO₂反射膜层组成，所述若干层TiO₂反射膜层和若干层SiO₂反射膜层交替贴附在一起形成介质反射膜层2-2。波束合成薄膜2上的介质反射膜层所选择的红外反射膜层为TiO₂和SiO₂多层交替镀制的介质反射膜，这种膜层红外反射率高、对雷达波传输影响小且膜层不易脱落。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述固定调整机构由固定夹紧件1、撑紧件3、调整件4组成，所述固定夹紧件1和撑紧件3平行设置，波束合成薄膜2位于固定夹紧件1和撑紧件3之间；撑紧件3由撑紧筒体3-1和撑紧外沿3-2组成，所述外沿3-2固设在筒体3-1的外侧壁上，固定夹紧件1由筒体1-1和外沿1-2组成，所述外沿1-2固设在筒体1-1的外侧壁上，在筒体1-1侧壁上开有通孔1-3，所述波束合成薄膜2的周边穿过通孔1-3固装在固定夹紧件1上，所述撑紧筒体3-1的一个端面与波束合成薄膜2的一个端面接触连接，所述撑紧外沿3-2和外沿1-2通过调整件4连接。所述调整件4是调整螺钉。固定调整机构由具有高的结构强度、低相对介电常数、低介电损耗角正切值的玻璃钢材料加工而成，其圆周上均布六个调整螺钉是由尼龙材料制成的，尼龙对雷达波的影响也比较小，满足仿真测试要求。固定调整机构选用的非金属材料除应具有高的结构强度以外还应该具有低介电常数ε(一般取1～4)、低介电损耗角正切值tanδ(一般取10^-1～10^-4)，这样就对雷达波有较好的透过性能，减少支撑结构对雷达波的反射给测试带来的影响，且长时间使用的形变量要小，如玻璃钢等。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是将本发明(薄膜式红外-雷达波束合成器12)安装在转台上的一个实施例，本发明在工作时将红外目标模拟器13发出的红外光线14反射，将雷达目标模拟器15发出的雷达波束16透射，并最终将两束光叠加，为复合导引头11测试提供双模即红外与雷达复合模拟目标，并且在二轴转台18的带动下仍能完成上述功能。本发明(薄膜式红外-雷达波束合成器12)通过其上的固定调整机构进行固定调整并连接，使本发明可以与红外目标模拟13一起运动，固定调整机构作用是使薄膜式红外-雷达波束合成器保持平整，平整度应满足复合导引头的红外部分测试的使用要求，即一方面其平整性对红外成像质量影响要小，另外一方面其平整性在其随二轴转台18一起运动时发生的变化要小，不能影响导引头的测试。本发明与二轴转台之间的连接材料为玻璃钢板，玻璃钢板两侧采用十字拉筋加固，两端有连接底座。在整套转台中，二轴转台和红外动态模拟器外框为金属材料，为了减小其表面对雷达波的影响，在对雷达波有影响的金属表面进行吸波处理。吸波表面以聚氨酯泡沫做基底，表面面型处理成由多个小金字塔形状的非平表面，并在其上涂石墨作为吸波表面。对复合导引头11的测试可以采用五轴台的测试方案，即复合导引头11安装在三轴转台17上，红外目标模拟器13和薄膜式红外-雷达波束合成器共同安装在二轴转台18上，三轴转台17和二轴转台18绕共同的转动中心旋转。由于薄膜式波束合成器与传统的波束合成器相比，重量大大减轻，可以实现五轴台的测试方案，解决了波束合成器不能运动带来的诸多影响测试和仿真的问题，保证雷达波进入波束合成器的入射角度始终不发生变化，即不产生由此带来的IPD，实现了模拟大角度运动范围的运动目标的目的，达到了良好的仿真测试效果。

工作原理：

薄膜式波束合成器对雷达波水平和垂直两个振动方向上的透过率τ可根据公式(1)和(2)进行计算：

其中，θ雷达波进入波束合成器的入射角；

      ε波束合成器的相对介电常数；

      d波束合成器的厚度(单位是mm)；

      λ为空气中的雷达波波长(单位是mm)。

由公式(1)和(2)可得，雷达波的透过率与雷达波进入波束合成器的入射角θ、波束合成器的相对介电常数ε、波束合成器的厚度d和空气中雷达波的波长λ有关。雷达波的频率按照范围0.8～18GHz来计算，其波长范围可根据公式(3)进行计算。

λ＝c/f                   (3)

其中，c为雷达波的传播速度即光速为3×10⁸m/s；

      f为雷达波的频率(单位是Hz)。

将雷达波的频率带入到公式(3)，计算得出雷达波的波长范围为16.7mm～375mm。波束合成器的相对介电常数ε按照1.9计算，波束合成器的厚度d按照0.05mm进行计算，通过公式(1)和(2)对不同入射角度在波长分别为16.7mm、196mm(中心波长)和375mm时，对水平和垂直方向上透过系数变化，结果如图3所示。

从图3可以看出，透过率随着雷达波的波长的减小(频率的增大)逐渐减小，水平和垂直振动方向上的透过率随着波长的减小(频率的增大)和入射角的增加差异逐渐变大。因此，雷达波进入波束合成器的入射角可根据实际使用的雷达波的波长范围等因素进行调整。

薄膜式波束合成器对雷达波水平和垂直两个振动方向上产生的IPD可根据公式(4)和(5)进行计算。

其中，θ为雷达波入射角；

ε为波束合成器的相对介电常数；

d为波束合成器的厚度(单位是mm)；

λ为空气中的雷达波波长(单位是mm)。

通过公式(4)和(5)对不同厚度的波束合成器在波长为196mm(中心波长)时，对水平和垂直振动方向上产生的IPD进行计算，结果如图4所示。

由图4可得，随着波束合成器厚度的增加，对水平和垂直振动方向上产生的IPD值也逐渐增加，因此，为了减小水平和垂直方向上的IPD的值及其差值，波束合成器的厚度应该尽可能的减小，考虑到目前非金属薄膜的加工工艺和加工水平以及在波束合成器的固定过程中的综合因素，波束合成器的最终厚度选择在0.05mm。

在实际研制过程中，薄膜式波束合成器的非金属薄膜应选择雷达波透射性能好的材料，材料的介电常数ε值一般取1～4，而介电损耗角正切tanδ的值取10^-1～10^-4数量级为好，红外反射膜也应为非金属材料，为进一步提高红外反射率，采用多层镀膜更佳。且波束合成器的厚度应均匀，以减小其产生的测试误差。

Claims (3)

1.一种薄膜式红外-雷达波束合成器，所述波束合成器由固定调整机构和波束合成薄膜(2)组成，所述波束合成薄膜(2)固装在固定调整机构上；其特征在于：所述波束合成薄膜(2)的厚度为0.005mm～1mm；所述波束合成薄膜(2)由介质基底(2-1)、介质反射膜层(2-2)组成，所述介质反射膜层(2-2)贴附在介质基底(2-1)的外表面上；且所述介质基底(2-1)由聚四氟乙烯材料制成。

2.根据权利要求1所述的薄膜式红外-雷达波束合成器，其特征在于所述介质反射膜层(2-2)由若干层TiO₂反射膜层和若干层SiO₂反射膜层组成，所述若干层TiO₂反射膜层和若干层SiO₂反射膜层交替贴附在一起形成介质反射膜层(2-2)。

3.根据权利要求1所述的薄膜式红外-雷达波束合成器，其特征在于所述固定调整机构由固定夹紧件(1)、撑紧件(3)、调整件(4)组成，所述固定夹紧件(1)和撑紧件(3)平行设置，波束合成薄膜(2)位于固定夹紧件(1)和撑紧件(3)之间；撑紧件(3)由撑紧筒体(3-1)和撑紧外沿(3-2)组成，所述撑紧外沿(3-2)固设在撑紧筒体(3-1)的外侧壁上，固定夹紧件(1)由筒体(1-1)和外沿(1-2)组成，所述外沿(1-2)固设在筒体(1-1)的外侧壁上，在筒体(1-1)侧壁上开有通孔(1-3)，所述波束合成薄膜(2)的周边穿过通孔(1-3)固装在固定夹紧件(1)上，所述撑紧筒体(3-1)的一个端面与波束合成薄膜(2)的一个端面接触连接，所述撑紧外沿(3-2)和外沿(1-2)通过调整件(4)连接。

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