CN103487860A - 雷达/红外双波段频率选择表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达/红外双波段FSS，解决了现有技术中方格形金属网栅FSS无法进一步提高光学透过率，杂散光分布集中，不利于在高精度探测及观测成像中应用的技术问题，属于电磁屏蔽技术领域。本发明的雷达/红外双波段FSS为金属网栅上的十字孔型周期阵列，所述金属网栅为圆孔型金属网栅或者六边形金属网栅，所述十字孔型的周期为金属网栅周期的整数倍，每个十字孔型满足以下两点约束条件：1)十字孔型的缝宽是金属网栅周期的整数倍减去金属网栅线宽；2)十字孔型的缝长与十字孔型的缝宽之差为金属网栅周期的偶数倍。本发明的雷达/红外双波段FSS的光学透过率更高，衍射光强分布更加均匀，能够有效抑制杂散光。

Description

雷达/红外双波段频率选择表面

技术领域

本发明涉及一种雷达/红外双波段频率选择表面，属于电磁屏蔽技术领域。

背景技术

雷达/红外成像复合制导技术是通过雷达导引头大范围地搜索将飞行器精确引导到目标附近，使目标进入红外成像导引头的作用距离，然后利用红外成像导引头的高分辨率的特点进行目标的精确识别。复合制导头罩的电磁屏蔽技术是复合制导的关键技术，其性能优劣直接影响导弹的作战性能和命中精度，甚至决定了整个系统能否正常工作。复合制导头罩技术途径实现难点是在实现强电磁屏蔽效率的同时只允许己方雷达波段自由透过而屏蔽敌方雷达探测波段，另一方面，为实现更远距离和更微小目标的探测和观测，复合头罩必须有高的透光率和高的成像质量，现有技术中，通常采用在复合制导头罩表面增加一层频率选择表面(简称FSS)来实现这一要求。

具有亚毫米尺度周期及微米量级线宽的栅网结构频率选择表面(频率选择表面简称FSS)，在不同波长的电磁波入射时表现出不同的电磁特性，当其加载于复合制导头罩之上时，在可见光和红外光下呈现透明状态，在微波波长与孔径FSS单元尺寸一致时，复合制导头罩也呈现透明状态，而对于其它波段的微波和无线电波而言，复合制导头罩相当于进行了金属化处理，实现了其内外电磁波的隔离，即防止外部的电磁干扰和内部的电磁泄漏，从而解决了复合制导头罩的电磁屏蔽难题。

现有技术中，金属网栅FSS只是在方格形金属网栅上设计十字孔型单元，但该类型的金属网栅FSS受限制于金属网栅线宽和金属网栅周期的加工水平，无法进一步提高光学透过率，另外，高次衍射能量的集中分布造成杂散光的集中分布，影响光学成像系统，尤其在应用于雷达/红外复合制导窗口时，杂散光的集中容易造成虚假探测目标，掩盖真实探测目标。

发明内容

为解决现有技术中方格形金属网栅FSS无法进一步提高光学透过率，杂散光分布集中，不利于在高精度探测及观测成像中应用的技术问题，本发明提供一种雷达/红外双波段FSS。

本发明的雷达/红外双波段FSS为金属网栅上的十字孔型周期阵列，所述金属网栅为圆孔型金属网栅或者六边形金属网栅，所述十字孔型的周期为金属网栅周期的整数倍，每个十字孔型满足以下两点约束条件：

1)十字孔型的缝宽是金属网栅周期的整数倍减去金属网栅线宽；

2)十字孔型的缝长与十字孔型的缝宽之差为金属网栅周期的偶数倍。

本发明的有益效果：

(1)本发明的雷达/红外双波段FSS与现有技术中方格形金属网栅FSS相比，在采用相同工艺条件(2a和g)下，本发明的雷达/红外双波段FSS的光学透过率更高，衍射光强分布更加均匀，能够有效抑制杂散光，尤其是应用于雷达/红外复合制导窗口中避免了容易产生虚假目标，掩盖真实目标的现象，获得了雷达与光学双带通的电磁特性；

(2)本发明的约束条件同时克服了金属网栅上的十字孔型单元的一阶偶次谐振模式的畸变(畸变不仅影响对FSS谐振频点的预估，而且还增加了基函数的复杂程度，降低了金属网栅FSS优化设计的效率)和金属网栅FSS容易产生模式互作用零点的缺陷，保障了在圆孔型或六边形金属网栅上设计FSS时，不影响雷达带通传输特性；

(3)本发明的雷达/红外双波段FSS可以拓展到其它任意图形结果设计，如圆型金属网栅或者六边形金属网栅上设计“Y”形FSS单元。

附图说明

图1为本发明圆孔型雷达/红外双波段FSS的周期单元；

图2为图1的局部放大图；

图3为方格形金属网栅FSS与圆孔型金属网栅FSS的金属网栅线宽与金属网栅周期的比值(2a/g)与光学透过率的关系曲线；

图4为倾斜照射下圆孔型金属网栅FSS的标量衍射模型；

图5为不同入射角度下圆孔型金属网栅FSS衍射光强分布，(a)为0°照射，(b)为15°照射，(c)为30°照射；

图6中，(a)为MgF₂基底上制备的圆孔型金属网栅FSS的光学显微镜照片，(b)为MgF₂基底上制备的方格形金属网栅FSS的光学显微镜照片；

图7中，(a)为方格形金属网栅FSS的衍射光强分布，(b)为圆孔型金属网栅FSS的衍射光强分布。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明的雷达/红外双波段FSS为金属网栅上的十字孔型周期阵列，所述金属网栅为圆孔型金属网栅或者六边形金属网栅，所述十字孔型的周期D_x和D_y为金属网栅周期g的整数倍，即：D_x=D_y=n×g；

每个十字孔型满足以下两点约束条件：

1)十字孔型的缝宽w是金属网栅周期g的整数倍减去金属网栅线宽2a，即w=k×g-2a；

2)十字孔型的缝长L与十字孔型的缝宽w之差为金属网栅周期g的偶数倍：L-w=2mg；

其中，n>m>k，且m，n，k均为为正整数。

本发明雷达/红外双波段FSS的制备工艺与现有方格形金属网栅FSS的制备工艺基本相同，只需在圆孔型或者六边形金属网栅菲林版上增加十字开孔对应部分即可。

将Kohin研究结论应用于本发明的雷达/红外双波段FSS，则雷达/红外双波段FSS的光学透过率Ta为：

$T_a={(1-\frac{\mathrm{\πag}-a^2\mathrm{\π}}{g^2})}^2(1-\frac{2\mathrm{km}-k^2}{n^2})+\frac{2\mathrm{km}-k^2}{n^2}$

与现有方格形金属网栅FSS进行比较，得到2a/g与光学透过率之间的关系，如图3所示，图中，曲线a为方格形金属网栅FSS的2a/g与光学透过率之间的关系；曲线b为圆孔型金属网栅FSS的2a/g与光学透过率之间的关系。由图3可知，在相同工艺条件(2a和g)下，本发明雷达/红外双波段FSS的光学透过率优于现有方格形金属网栅FSS。

实施例1

如图4所示，根据Fraunhofer衍射理论，建立倾斜照射下圆孔型金属网栅FSS的标量衍射模型，图4中，平行光照射E沿z(z₁)轴传播，FSS倾斜之前的坐标为x₁o₁y₁，FSS倾斜之后的坐标是x₁’o₁y₁’，FSS上任意一点Q到观察面xoy上的P点间的距离用r表示，观察点P与FSS坐标原点o₁之间距离用r_o表示，通过对光瞳的Fourier变换，得到不同入射角度下像面上的衍射光强分布，如图5所示，通过图4和图5计算圆孔型金属网栅FSS的高次衍射能量分布；

在3.82mm厚，相对介电常数4.803，正切角损耗值0.012的MgF₂基底上，采用光刻与镀膜的方法，选取相同金属网栅周期g=300μm和金属网栅线宽2a=21.4μm的方格形金属网栅和圆孔型金属网栅，依据约束条件，分别制作方格形金属网栅FSS和圆孔型金属网栅FSS，在光学显微镜下观察到的实验样件如图6所示，放大倍数为300；

采用准直半导体激光器(λ=880nm)做光源，采用Spiricon公司的SP620型号CCD相机(像素为1600×1200，分辨力为4.4μm)，分别对垂直放置的方格形金属网栅FSS及圆孔型金属网栅FSS的衍射图样进行采集，测试结果如图7所示，测试结果表明：方格金属网栅FSS衍射光强主要分布在轴线上，圆孔型金属网栅FSS，其衍射光强分布较为均匀；结合图4和图5的计算结果，证明了圆孔型金属网栅FSS的衍射光强分布均匀，能够有效地抑制了杂散光，避免了金属网栅FSS在雷达/红外复合制导窗口中可能造成虚假目标，掩盖真实目标的现象。

显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.雷达/红外双波段频率选择表面，其特征在于，所述雷达/红外双波段频率选择表面为金属网栅上的十字孔型周期阵列，所述金属网栅为圆孔型金属网栅或者六边形金属网栅，所述十字孔型的周期为金属网栅周期的整数倍，每个十字孔型满足以下两点约束条件：

1)十字孔型的缝宽是金属网栅周期的整数倍减去金属网栅线宽；

2)十字孔型的缝长与十字孔型的缝宽之差为金属网栅周期的偶数倍。

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