CN102354811A - 利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩 - Google Patents

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叶德信
张斌
皇甫江涛
冉立新
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Abstract

本发明公开了一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩。每个次波长谐振单元由两层材料组成，呈正方形结构，即在Rogers电路板的一面的正中间镀有一层十字型的金属铜片，十字型的金属铜片的四个端口延伸至Rogers电路板的边界，次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，整体组成具有全匹配无折射雷达天线罩。本发明设计结构简单，质量轻，耐腐蚀性好；结构多变，加工简单，可以针对不同的天线形状设计相应的天线罩形状；匹配效果好，透射率极高，经过实例仿真验证，在通带时的传输系数为-0.02dB；折射率稳定，与空气高度一致，不会对信号产生任何干扰。本发明可广泛用于当今各种频段的雷达保护装备等应用领域。

Description

利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩
技术领域
本发明涉及一种雷达天线罩，特别是涉及一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩。
背景技术
雷达天线罩是天线的电磁窗口和保护罩，它是集电气性能、结构强度、气动外形和特殊功能要求于一体的功能结构件。要求它既保护天线免受恶劣环境侵害，还要保持满足雷达发射接收的全部电性能要求，即对雷达信号的传输要求具有最小的波瓣畸变和功率吸收。不仅地面雷达需要加载天线罩，机载、弹载雷达更需要天线罩的保护。
我国的地面雷达罩自上世纪六十年代年开始起，经过近五十年的发展，取得了一定的成就，特别是直径44米的蜂窝夹层玻璃钢雷达罩的成功研制，为我国雷达罩发展积累了经验。但是同发达国家同类产品比较还有很大不足，主要体现在材料和工艺水平还不能跟上电性能设计的要求。随着近年来制造业中质量管理系统的普及，对产品进行质量管理、可视化生产已经显现出巨大的优势。对于大型地面雷达天线罩这种非标准化生产的产品，其工艺过程的控制是比较困难的，也是势在必行的。鉴于雷达罩的成型工艺及其复杂的工作环境，人们对雷达罩基本材料提出了越来越高的要求，主要表现在更高的耐湿热性、更好的力学性能和更好的透波性能。
在天线罩的耐湿热性以及力学性能上，由于目前使用的雷达罩一般是由增强材料和树脂基体经一定工艺过程复合而成，所以要提高雷达罩的耐湿热性，可以从增强材料、树脂基体和表面涂覆等方面采取，而且目前国际上关于这一块已经有了比较成熟的工艺。
因此，雷达天线罩的另一个主要目标保持其更好的透波性能即是目前国内外研究的主要方向。雷达天线罩的透波性能主要取决于它的电学厚度，电学厚度与雷达罩的物理厚度、工作频率、材料类型(这里的材料类型主要是指介电常数和损耗角正切，因为一般材料磁导率与真空环境相等)、涂层和涂料以及使用的结构形式有关。目前广泛应用的雷达罩的基本结构是蜂窝夹层结构．这是因为它具有高传输效率、理想的强度重量比和刚度重量比。而雷达罩的电学性能受其结构厚度的影响很大，成指数方趋势变化，因此各型雷达罩的材料厚度在各种飞机的安全风险管理上有严格的控制范围。采用低介质损耗的新型材料可以有效地提高雷达的探测性能，使其具有较高的透波率、较低的反射率和吸收率。但是目前传统方案上的材料并不能实现完美的匹配，透波效果并不理想，关键一点还是由于天线罩的折射率均比空气中的要高，电磁波信号入射除了引起一定的反射外还会由于折射使得接收或者辐射的信号相位产生变形，严重影响到了天线罩的电特性，因此迫切需要出现新型的具有完美电磁特性的天线罩材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩，利用次波长谐振结构在某些频带内谐振时其等效相对介电常数和相对磁导率独立可调的特点，适当调节次波长谐振结构的形状尺寸，使得次波长谐振结构的等效相对介电常数和相对磁导率相等，并且等于空气的相对介电常数，从而实现完美匹配无折射透射的理想天线罩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
每个次波长谐振单元由两层材料组成，呈正方形结构，即在Rogers电路板的一面的正中间镀有一层十字型的金属铜片，十字型的金属铜片的四个端口延伸至Rogers电路板的边界，次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，整体组成具有全匹配无折射雷达天线罩。
所述的次波长谐振单元的长度小于1/4工作波长。
所述的十字型的金属铜片的两侧宽度相等，其宽度小于次波长谐振单元一个边长的十分之一。
所述的次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，至少由16个次波长谐振单元组成。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
1）设计结构简单，质量轻，耐腐蚀性好。
2）结构多变，加工简单，可以针对不同的天线形状设计相应的天线罩形状。
3）匹配效果好，透射率极高，经过实例仿真验证，在通带时的传输系数为-0.02dB。
4）折射率稳定，与空气高度一致，不会对信号产生任何干扰。
本发明可广泛用于当今各种频段的雷达保护装备等应用领域。
附图说明
图1是次波长谐振结构单元结构示意图。
图2是整体平面型雷达天线罩实例示意图。
图中：1. 十字型的金属铜片，2.Rogers电路板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明每个次波长谐振单元由两层材料组成，呈正方形结构，即在Rogers电路板2的一面的正中间镀有一层十字型的金属铜片1，十字型的金属铜片1的四个端口延伸至Rogers电路板2的边界，次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，整体组成具有全匹配无折射雷达天线罩。
所述的次波长谐振单元的长度小于1/4工作波长。金属次波长结构在工作频段附近只产生电谐振，使整个单元在工作频带内的等效相对介电常数与空气相等，实现全匹配无折射透射。
所述的十字型的金属铜片1的两侧宽度相等，其宽度小于次波长谐振单元元一个边长的十分之一。
所述的次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，至少由16个次波长谐振单元组成。
选择Rogers非磁性介质板，保证介质板的相对磁导率与真空的磁导率相等，利用金属次波长谐振结构在某些频带内会出现电谐振的特性，调节次波长谐振结构的形状和尺寸使其在工作频带内的等效相对介电常数与空气的介电常数相等，最终实现完美无折射透射。
所用的Rogers非磁性介质板有较强的刚度，没有磁效应，其相对磁导率与空气的相对磁导率相等，相对介电常数较大，用以缩小次波长谐振结构的尺寸。
如图1所示，其中对称的十字型的金属铜片1是为了实现二维电场极化方向要求，使得线极化和圆极化天线均可正常工作。当天线工作时，入射到该结构上的电磁波，在多个单元上的片状金属间产生电谐振，调节十字型的金属铜片1的尺寸，可以实现在某个频率段时候该金属单元的等效相对介电常数和相对磁导率相等，实现了完美匹配透射，形成通带。同时由于该结构的等效磁导率与空气相等，使得该次波长谐振结构的等效折射率与空气一致，即实现了信号的无折射透射。将多个单元周期排列成等效均匀介质，即可以加工成任意形状的天线罩，从而在保护天线设备的同时完全不会干扰信号的接收与发射。
本次波长谐振结构单元的实例如图1所示。基本单元结构的长度和宽度均为30mm，共有两层材料组成。底层为十字型的金属铜片1，厚度为0.035mm，长度为30mm，宽度为0.2mm。中间层为Rogers电路板2，Rogers电路板2的厚度为2mm，相对介电常数为11.2，损耗正切为0.0022，相对磁导率为1。
当天线工作时，周期排列的此波长谐振结构单元上的十字型的金属铜片1会形成电谐振，而且由于单元结构小于1/4工作波长，使得周期排列的该金属单元结构可以等效为均匀介质。其等效的相对介电常数和相对磁导率可以表示为：                                               和
Figure 213970DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 2011102323140100002DEST_PATH_IMAGE003
为该等效介质相对介电常数的实部， 为该等效介质相对介电常数的虚部（由于选用的介质板一般损耗极小，这部分的大小可以忽略，即几乎无损耗）. 同理为该等效介质相对介电常数的实部，为该等效介质相对介电常数的虚部（由于选用的介质板一般损耗极小，这部分的大小可以忽略，即几乎无损耗），由于结构不存在磁谐振，因此该结构的等效相对磁导率。适当改变片状十字形金属铜片的长度、宽度，可以使得该等效介质的介质参数在所需工作频率上满足
Figure 555325DEST_PATH_IMAGE008
，即相对介电常数的与相对磁导率的比值与空气相等，这样就实现了与空气阻抗的完美匹配，形成完美透波性。同时，由于
Figure 2011102323140100002DEST_PATH_IMAGE009
该结构的等效折射率与空气相等，电磁波透射后无论在相位还是幅度变化上与真空环境无异，因此完全不会造成接收或者发射信号的失真。将很多个单元周期排列，即可构成均匀等效介质，从而根据雷达天线的形状设计成相应的天线罩结构。
本实例中的平板型全匹配无折射雷达天线罩如图2所示，本发明介绍的结构工作频率为2.5GHz，即工作波长为120mm，而本材料的此波长谐振结构单元长度为30mm，即仅相当于工作波长的四分之一，完全满足等效介质理论，可作为均匀介质。根据仿真结果显示，在工作频带中心，垂直入射时的透射系数仅为-0.02dB，几乎完美透射。而且根据反演算法得到了该介质的折射率为1.02，几乎与空气完全一致。因此，由该次波长谐振结构构成的等效介质完全可以作为电磁波真空环境，对信号不会有任何影响。
本发明的工作频率为2.5GHz，如果要工作在其他频率，需要根据工作波长比例调整次波长谐振结构单元的尺寸。
以上所述，仅是本发明的在2.5GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩，其特征在于：
每个次波长谐振单元由两层材料组成，呈正方形结构，即在Rogers电路板（2）的一面的正中间镀有一层十字型的金属铜片（1），十字型的金属铜片（1）的四个端口延伸至Rogers电路板（2）的边界，次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，整体组成具有全匹配无折射雷达天线罩。
2.根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩，其特征在于：所述的次波长谐振单元的长度小于1/4工作波长。
3.根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩，其特征在于：所述的十字型的金属铜片（1）的两侧宽度相等，其宽度小于次波长谐振单元一个边长的十分之一。
4.根据权利要求1所述的一种利用次波长谐振单元构成的全匹配无折射雷达天线罩，其特征在于：所述的次波长谐振单元沿上下左右方向周期延拓，至少由16个次波长谐振单元组成。
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