CN101950824A

CN101950824A - 一种毫米波带通金属网栅结构

Info

Publication number: CN101950824A
Application number: CN2010102393331A
Authority: CN
Inventors: 谭久彬; 刘永猛
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-01-19

Abstract

一种毫米波带通金属网栅结构属于多模探测仪器的抗电磁干扰技术领域，由方形感性网栅、外谐振圆环和内谐振圆环为周期单元而构成，其中外谐振圆环位于方形感性网栅内部，内谐振圆环位于外谐振圆环内部，且方形感性网栅与外谐振圆环和内谐振圆环具有共同的中心，方形感性网栅的周期小于干扰电磁波最小波长的二分之一，外谐振圆环的直径小于方形感性网栅的周期，外谐振圆环的直径大于内谐振圆环的直径；本发明可应用于毫米波、激光、红外三模复合探测仪器的抗电磁干扰技术领域。

Description

一种毫米波带通金属网栅结构

技术领域

本发明属于多模探测仪器的抗电磁干扰技术领域，涉及一种毫米波带通金属网栅结构。

背景技术

目前，光电探测仪器存在着严重的电磁干扰问题。由于空间电磁环境越来越复杂，来自外界空间的干扰电磁信号很容易透过光电探测仪器的光学窗，串入光电传感、探测和引信系统，必将对信号提取、检测及处理电路产生强烈的电磁干扰影响，甚至导致光电探测器饱和失灵，严重影响了探测仪器的正常工作。综上所述可见，光电探测仪器的光学窗存在的电磁扰问题亟待解决。

目前，解决光电探测仪器光学窗电磁干扰问题的措施主要采用透明导电薄膜、金属诱导透射型薄膜、频率选择表面技术和感性金属网栅技术等。

透明导电薄膜技术采用透明导电氧化物(如氧化铟锡)薄膜实现对干扰电磁波的吸收，优点是可见光透射率高，屏蔽频段宽，缺点是红外波长透射率低，无法兼顾宽频段(尤其是红外探测波长)的高透射率，因此应用领域局限在可见光频段。

金属诱导透射型薄膜技术采用多层薄金属膜与介质膜结构实现对干扰电磁波的屏蔽，优点是可用于红外、可见光和紫外波长，且抗电磁干扰性能好，缺点是透光率较低，还不能满足光学探测对高透光率的要求。

频率选择表面技术采用周期性谐振单元结构实现带通型滤波器，已经成功用于雷达罩隐身领域，其优点是既能保证探测频段的正常工作，又能反射工作频带以外的干扰电磁波；毫米波探测雷达罩则采用复杂的频率选择表面实现带通滤波器，阻塞工作频段以外的所有频率，从而实现对带外干扰电磁波的屏蔽，缩减雷达散射截面积。缺点是金属覆盖率较高，导致光学透光率较低，降低了光学探测的成像质量，给光学图像处理、模式识别、目标搜索和跟踪带来困难，影响了光电探测的响应速度和性能。

可见光、红外等光学探测仪器的光学窗采用传统的感性金属网栅技术，以提高低频宽频段抗电磁干扰性能。美国Texas Instruments公司的Purinton等人利用感性金属网栅屏蔽红外光学窗工作频带外的干扰信号，并于1976年获得美国专利，专利号为US3961333。首先分析一下感性金属网栅的滤波机理，由于金属网栅的周期比干扰雷达波长小得多，属于一种亚波长光栅，探测雷达波入射这种亚波长金属光栅时，高阶模都迅速衰减为倏逝波，占据绝大部分能量的零级反射波被金属网栅散射到其他方向上去，避免探测雷达波进入导引头内部形成强烈的腔体散射，同时金属网栅也屏蔽了仪器自身设备辐射的电磁波向敌方雷达的辐射，从而减小了雷达散射横截面积，降低了可探测性。与此同时，感性金属网栅也屏蔽了干扰电磁波对光电探测系统正常工作的影响，达到抗电磁干扰的功效，提高了光电对抗性能。在光学探测波段，由于感性金属网栅周期相对于光学探测波长很大，通光率很高，同时金属线宽比光学探测波长小得多，对光学成像系统的零级点扩散函数影响甚微，所以金属网栅可以保证探测波长实现高透射率并正常成像探测。此外，感性金属网栅与框架相链接，还具有除霜、除雾、除冰、防静电功能。由此可见，金属网栅适用于可见光、红外等光学探测抗电磁干扰领域，但是其是一种宽频段低通滤波器，屏蔽干扰电磁波的同时，也衰减了用于探测的毫米波透射功率，因此传统的感性金属网栅不适用于毫米波探测系统的抗电磁干扰领域。

多模精确探测仪器对光学窗在抗电磁干扰提出了更高的要求。多模探测复杂的频响特性，以上各种方法均不能同时满足三模探测光学窗抗电磁干扰方面的特殊要求。经过分析可见，简单的金属网栅和频率选择表面已很难同时满足毫米波、激光、红外三模探测光学窗抗电磁干扰的高要求。因为简单导电金属网栅是宽频段低阻滤波器，必然严重衰减毫米波探测能量，影响毫米波正常探测；而频率选择表面由金属贴片组成，其在光学频段是不透明的，这必然造成光学透射率严重降低，影响光学成像质量，给目标识别和跟踪带来困难。

综上所述，以上各种技术方案均无法同时满足毫米波、激光、红外三模探测光学窗对高透光和宽频段抗电磁干扰的双重要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的毫米波、激光、红外三模探测光学窗抗电磁干扰技术方案的不足，设计一种适用于毫米波、激光、红外三模探测的金属网栅，该金属网栅具有抗电磁干扰性能和高透光率，以期实现射频和光电复合探测的光学窗高效能宽频段电磁屏蔽。

本发明的思想是将传统的金属网栅技术和频率选择表面技术相融合，构成具有抗电磁干扰性能的新型感性网栅。其采用的特定设计的感性金属网栅构成低阻滤波器，对干扰电磁波进行屏蔽；采用两个同圆心的谐振圆环构成毫米波带通滤波器，以保证毫米波正常工作；其采用特定设计的微米级线宽提高激光和红外的透射率，保证了红外探测的高品质成像质量和激光探测的高透射率。

本发明的技术方案是设计一种毫米波带通金属网栅结构，该结构由方形感性网栅、外谐振圆环和内谐振圆环为周期单元而构成，其中外谐振圆环位于方形感性网栅内部，内谐振圆环位于外谐振圆环内部，且方形感性网栅与外谐振圆环和内谐振圆环具有共同的中心。

方形感性网栅的周期P小于干扰电磁波最小波长的二分之一。

外谐振圆环的直径2R小于方形感性网栅的周期P，外谐振圆环的直径2R大于内谐振圆环的直径2r。

方形感性网栅、外谐振圆环和内谐振圆环金属线的厚度大于200nm。

方形感性网栅、外谐振圆环和内谐振圆环的线宽小于10μm。

方形感性网栅、外谐振圆环和内谐振圆环的材料为导电率良好的纯质金属或合金，纯质金属包括金、银、铜、铝。

本发明具有如下新颖性和显著效果：

1.本发明充分将金属网栅技术和频率选择表面技术进行有机结合，设计了新颖的谐振型复合网栅。该谐振型复合网栅由一个感性金属网栅和两个谐振圆环组成，其中感性金属网栅在低频雷达波段呈现低阻滤波特性，实现了对干扰雷达波的屏蔽作用；同时谐振圆环在毫米波波段呈现带通滤波特性，以此保证毫米波探测的正常工作。所以谐振型复合网栅既实现了对干扰电磁波的屏蔽，又保证了毫米波的探测功能的双重功效。这是传统的金属网栅技术和频率选择表面技术所不能同时具备的。这是毫米波带通金属网栅区别于传统金属网栅的显著优点之一。

2.本发明将传统的频率选择表面的线宽进行微细化，设计成谐振型的网栅单元，这也是对金属网栅技术的扩展。谐振型复合网栅周期比光学探测波长大很多，同时感性金属网栅和谐振圆环的线宽很细，即谐振型复合网栅具有较大的占空比，对光学透射率影响很小，因此保证了红外探测的高成像质量和激光探测的高透射率。该新型金属网栅结构克服了传统频率选择表面透光率低的缺点，保证了红外成像探测和激光探测的高透射率。这是毫米波带通金属网栅区别于传统金属网栅的优点之二。

附图说明

图1为本发明所述一种毫米波带通金属网栅一个周期单元的结构示意图。

图2为本发明所述一种毫米波带通金属网栅在雷达波段(8-18GHz)抗电磁干扰特性曲线。

图3为本发明所述一种毫米波带通金属网栅在毫米波段(94GHz)的带通滤波特性曲线。

图中件号：1为方形感性网栅，2为外谐振圆环，3为内谐振圆环。

具体实施方式

下面参照附图和优选实施例对本发明进行进一步的描述。

本发明实施以94GHz毫米波探测、1.06μm激光探测、8～12μm红外成像三模探测光学窗为例，研究金属网栅的抗电磁干扰性能。

本发明实施例子中，一种毫米波带通金属网栅结构由方形感性网栅1、外谐振圆环2和内谐振圆环3为周期单元而构成，其中外谐振圆环2位于方形感性网栅1内部，内谐振圆环3位于外谐振圆环2内部，且方形感性网栅1与外谐振圆环2和内谐振圆环3具有共同的中心。

方形感性网栅1的周期500μm。外谐振圆环2的直径为470μm，内谐振圆环3的直径为450μm。

方形感性网栅1、外谐振圆环2和内谐振圆环3金属线的厚度为500nm。

方形感性网栅1、外谐振圆环2和内谐振圆环3的线宽为2μm。

方形感性网栅1、外谐振圆环2和内谐振圆环3的材料为金属铝。

图2给出了本发明所述金属网栅在雷达波段抗电磁干扰特性仿真曲线。可见谐振型复合网栅在8～18GHz波段抗电磁干扰优于-20dB。

图3给出了本发明所述金属网栅在94GHz毫米波呈现带通滤波特性，通带的中心频率为94GHz，透射率优于98％。

综上可见，本发明实施例中一种毫米波带通金属网栅结构的抗电磁干扰性能显著，而且保证了94GHz毫米波探测、1.06μm激光探测、8～12μm红外成像三模探测信号的正常工作。

Claims

1.一种毫米波带通金属网栅结构，其特征在于该金属网栅由方形感性网栅(1)、外谐振圆环(2)和内谐振圆环(3)为周期单元构成，其中外谐振圆环(2)位于方形感性网栅(1)内部，内谐振圆环(3)位于外谐振圆环(2)内部，且方形感性网栅(1)与外谐振圆环(2)和内谐振圆环(3)具有共同的中心。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波带通金属网栅结构，其特征在于方形感性网栅(1)的周期P小于于扰电磁波最小波长的二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波带通金属网栅结构，其特征在于外谐振圆环(2)的直径2R小于方形感性网栅(1)的周期P，外谐振圆环(2)的直径2R大于内谐振圆环(3)的直径2r。

4.根据权利要求1所述的一种毫米波带通金属网栅结构，其特征在于方形感性网栅(1)、外谐振圆环(2)和内谐振圆环(3)的金属线厚度大于200nm。

5.根据权利要求1所述的一种毫米波带通金属网栅结构，其特征在于方形感性网栅(1)、外谐振圆环(2)和内谐振圆环(3)的线宽小于10μm。

6.根据权利要求1所述的一种毫米波带通金属网栅结构，其特征在于方形感性网栅(1)、外谐振圆环(2)和内谐振圆环(3)的材料为导电率良好的纯质金属或合金，纯质金属包括金、银、铜、铝。