CN106444055A - 一种射频/光学波束合成器的设计方法 - Google Patents

一种射频/光学波束合成器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种射频/光学波束合成器的设计方法，包括步骤：确定设计指标；从数据库中调用设计参数，结合光学信号反射传输理论和射频透射传输理论，确定射频/光学波束合成器的初步设计结果；利用光学信号和射频信号仿真方法进行仿真；当仿真结果符合预期结果时，将初步设计结果作为最终结果。本申请将光学仿真与射频仿真有机结合，提出基于光学材料的射频/光学波束合成器设计方法。根据本方法得到的合成器，在光学材料表面镀制FSS平面，保证表面质量，确保光学信号的高反射率，同时可以使射频信号由FSS表面透射，避免偏振态的改变。

Description

一种射频/光学波束合成器的设计方法
技术领域
本发明涉及射频/光学复合制导系统仿真模拟技术领域，主要涉及射频/光学波束合成器设计方法。
背景技术
精确制导武器的急迫需却，使得射频/光学复合制导武器称为各国的研究热点，至此无论在复合制导导引头研究领域还是复合制导半实物仿真研究领域，都涉及到射频/光学的共口径发射/接收这一核心关键技术。此关键技术的核心之一是射频/光学波束合成器件这一关键部件的设计与加工。
目前的射频/光学波束合成器主要有：镀有光学反射膜的介质平板、泡沫基板上的选频表面(FSS)等。传统的光学平面反射镜是通过在玻璃镜片上镀膜实现对光学光束的光路改变，传统的频率选择表面的加工工艺是基于电路技术的在印刷电路板上基于微加工光刻技术实现的。
其中，镀有光学反射膜的介质平板的缺点为：由于介质平板要让反射的光学光线与毫米波瞄准线一致，就必须使平板与毫米波瞄准线斜交，这样毫米波的偏振态将发生改变，需要通过构建一个校准系统对偏振态进行矫正；由于二色波组合器的尺寸限制带来的毫米波散射问题也不容忽视。泡沫基板上的选频表面(FSS)的缺点为：制作的表面远不如用传统光学镀膜方法制作的介质膜表面光滑，表面粗糙引起的对光学波段光学特性的影响是这一技术的最大欠缺之处。
传统的频率选择表面的设计都是基于印制电路板材料等有机材料，其设计方法主要基于射频仿真，传统的光学反射镜的设计采用光学仿真，主要基于光学材料。目前，传统的设计方法不能同时对射频/光学进行设计，已无法满足射频/光学波束合成器的设计需求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种射频/光学波束合成器的设计方法，用以解决上述技术问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
在基于本发明的一个实施例中提供了一种射频/光学波束合成器的设计方法，包括步骤：
S1、确定设计指标；
S2、从数据库中调用设计参数，结合光学信号反射传输理论和射频透射传输理论，确定射频/光学波束合成器的初步设计结果；
S3、利用光学信号和射频信号仿真方法进行仿真；
S4、当仿真结果符合预期结果时，将初步设计结果作为最终结果；
否则，进行循环迭代设计，得到新的初步设计结果并进行仿真，当仿真结果符合预期结果时，将当前初步设计结果作为最终结果。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S1中的设计指标包括：光学波束合成器的光学反射波段和光学反射效率、射频透射波段和射频透射效率。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S2中设计参数包括基板材料特性参数和镀层材料特性参数。
在基于本发明的另一个实施例中，特性参数具体包括尺寸、形状、相对介电常数、磁导率和电导率。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S3中仿真方法具体包括：
S31、薄衬底FSS传输特性仿真；
S32、不同介电常数时薄衬底FSS传输特性仿真；
S33、不同衬底厚度的FSS传输特性仿真；
S34、厚衬底FSS传输特性仿真
S35、厚衬底FSS传输特性随单元尺寸参数变化仿真。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S4中初步设计结果具体包括：基板材料选择、表面处理要求、尺寸、形状；镀层材料选择，表面处理要求、镂空图形的形状、尺寸；镀层覆盖基板的面积比、镀层与基板的结合方式。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S4中预期结果根据射频/光学波束合成器使用目的及设计指标确定。
在基于本发明的另一个实施例中，步骤S4中迭代设计具体为：通过改变设计参数，得到新的初步设计结果，进行仿真后观察仿真结果与预期结果的差异，不断改变设计参数，当仿真结果符合预期结果时，停止循环迭代，将当前初步设计结果作为最终结果，设计完成。
本发明的特点及有益效果是：本申请是用于将光学仿真与射频仿真有机结合，提出基于光学材料的射频/光学波束合成器设计方法，根据本方法得到的合成器，在光学材料表面镀制FSS平面，保证表面质量，确保光学信号的高反射率，同时可以使射频信号由FSS表面透射，避免偏振态的改变。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是十字缝隙环方形单元结构图；
图2是一种射频/光学波束合成器的图形周期性排列图；
图3是薄衬底FSS在不同入射角度下传输参数曲线图(TE极化)；
图4是薄衬底FSS在不同入射角度下传输参数曲线图(TM极化)；
图5是不同介电常数时薄衬底FSS传输特性(TE极化)；
图6是不同介质衬底厚度时FSS传输特性(TE极化)；
图7是FSS谐振频率随介质衬底厚度变化趋势图；
图8是薄衬底FSS在不同入射角度下传输参数曲线图(TE极化)；
图9是薄衬底FSS在不同入射角度下传输参数曲线图(TM极化)；
图10是厚衬底FSS传输特性随缝隙宽度变化；
图11是厚衬底FSS传输参数曲线随单元周期变化；
图12是设计结果方形缝隙环传输参数曲线图(TE极化)；
图13是设计结果方形缝隙环传输参数曲线图(TM极化)；
图14是一种射频/光学波束合成器设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的一个具体实施例，公开了一种射频/光学波束合成器的设计方法：
需要确定的设计指标包括：射频波段、光学波段、射频透射率、光学发射率等。
S1、确定设计指标。设计指标包括光学波束合成器的光学反射波段和光学反射效率、射频透射波段和射频透射效率。
其中，光学反射率按公式(1)计算：
ρ＝ρ金·A (1)
式中，ρ为波束合成器的光学反射率，ρ金为金属膜反射率，A为波束合成器金属表面占比。
波束合成器设计采用基于光学材料的分形表面技术实现，基于FDTD方法直接从Maxwell方程出发，结合周期边界条件，参照MUNK模型(Y孔单元的2个臂的长度之和接近半波长时将产生共振，Y环孔单元的周长接近一个波长时将产生共振。以Ka波段为例，若设中心频率为f0，当加载介质时FSS，中心频率将向低频漂移，如果在FSS单侧加载介电常数为εr的介质，则中心频率大致漂移到设计得到中心频率为35GHz。
S2、从数据库中调用设计参数，结合光学型号反射传输理论和射频透射传输理论，确定射频/光学波束合成器的初步设计结果。设计参数包括基板材料特性参数和镀层材料特性参数，
基板材料特性参数具体包括尺寸(厚度、直径等)、形状、相对介电常数、磁导率和电导率中的一种或几种；镀层材料特性参数具体包括尺寸、形状、相对介电常数、磁导率和电导率中的一种或几种。
其中，基板材料一般选择常用的光学基板材料，包括熔石英、微晶玻璃、光学玻璃等，具有足够的机械强度，镀层材料一般选择在特定光学波段反射率大于80％以上的镀层，包括金、银、铝等金属镀层。
进一步地，确定射频/光学波束合成器的初步设计结果，具体包括：基板、镀层图形以及两者的结合方式等，包括基板尺寸、材料、形状等，镀层图形尺寸、材料、形状、覆盖基板的面积比中的一个或几个参数；镀层图形由射频波段的透射率决定。
其中镀层图形可以是周期性重复的十字缝隙环、Y字缝隙或Y字缝隙环、复合Y字形中的一种，优化的设计结果为十字缝隙环。
优选地，利用十字缝隙环方形单元结构设计了谐振频率在35GHz附近的带通FSS，镀层金属面积占比为88％，利用光学设计仿真软件，可确定光学反射率为0.88*ρ，ρ为金属反射层的发射率。
如图2所示，整个方形单元覆盖在160mm*160mm的基底上，实现无缝隙100％覆盖，可实现光学与射频信号的共口径传输。
经初步设计，可采用十字缝隙环单元结构实现波束合成，十字缝隙单元结构图如图1所示。单元尺寸参数：D＝2.8mm；g＝0.1mm；w＝0.2mm；l＝1.9mm。
基底材料选择熔石英，保证足够的强度，并具有较高的射频信号透过率。
S3、利用光学信号仿真和射频信号仿真方法进行仿真。
设计仿真步骤流程图如图14所示：
S31、薄衬底FSS传输特性仿真。如图3、4所示，分别为在TE极化、TM极化时薄衬底FSS在不同入射角度下传输参数曲线图。
仿真时，介质衬底厚度h＝0.5mm，介电常数er＝2.25，金属采用厚度为0.02mm的铜，缝隙宽度g＝0.12mm。金属占有率88％。垂直入射时，谐振频率为35.2GHz，-3dB带宽是5.48GHz。当入射角度从0°增加至67.5°，TE极化的谐振频率偏移了0.1GHz，TM极化谐振频率偏移了0.45GHz。
S32、不同介电常数时薄衬底FSS传输特性仿真。如图5所示是伴随衬底介电常数变化时，FSS在TE极化波垂直照射下的传输参数曲线。FSS的其他参数与S21中的参数相同。可以看出，当介电常数变化0.1时，谐振频率变化0.5GHz左右。
S33、不同衬底厚度的FSS传输特性仿真。如6图所示是随着衬底厚度变化时，FSS在TE极化波垂直照射下的传输参数曲线。
FSS谐振频率随介质衬底厚度变化时的变化趋势如图7所示，红色原点表明在介质衬底厚度为7mm和10mm时通带内出现了两个传输极点。
S34、厚衬底FSS传输特性仿真。如图8、9所示，分别为在TE极化、TM极化时厚衬底FSS在不同入射角度下传输参数曲线图。
介质衬底的厚度为10.0mm，对于TE极化，当入射角度由0°增加到67.5°，通带内的传输极点由两个变为1个，角度为67.5°时，谐振频率为36.16GHz，35GHz处损耗为-4.8dB；对于TM极化，入射角度增加至67.5°时，谐振频率为34.54°，35GHz处损耗为-0.33dB。对于TE和TM极化，当入射角度增大时都会出现栅瓣。
表1 FSS性能分析
S35、厚衬底FSS传输特性随单元尺寸参数变化仿真。如图10、11所示，根据仿真结果，利用如图1所示的方形缝隙环结构设计了谐振频率在35GHz附近的带通FSS，并优化设计了衬底厚度为5mm的结构。仿真中单元的金属镀膜材料为金，厚度2um，介质的介电常数为3.9，损耗正切角为0.0004。图11所示是该FSS的传输参数曲线，具体性能分析如表1所示。
S4、当仿真结果符合预期结果时，将初步设计结果作为最终结果；
否则，进行循环迭代设计，得到新的初步设计结果并进行仿真，当仿真结果符合预期结果时，将当前初步设计结果作为最终结果。
通过改变设计参数，得到新的初步设计结果，进行仿真后观察仿真结果与预期结果的差异，不断改变设计参数，当仿真结果符合预期结果时，停止循环迭代，将当前初步设计结果作为最终结果，设计完成。
根据射频/光学波束合成器技术指标，利用方形缝隙环结构设计了谐振频率在35GHz附近的带通FSS，优化设计了基板厚度为5mm的结构，结构的具体尺寸参数如图1所示。仿真中单元的金属镀膜材料为金，厚度2um，介质的介电常数er＝3.9，损耗正切角为0.0004。单元尺寸参数：D＝2.8mm；g＝0.1mm；w＝0.2mm；l＝1.88mm。图12、13所示是该FSS的传输TE、TM极化的参数曲线。镀层金属面积占比为88％，可确定光学反射率为0.88*ρ，ρ为金属反射层的发射率。
图1为最终设计结果，设计图像周期性覆盖于光学材料基底表面，单面覆盖。
本发明方法的工作原理：射频/光学波束合成器是复合目标模拟装置的重要组成部分，光学和毫米波射频经过射频/光学波束合成器后，由分口径的两个传播路径变成为一路共口径的单路传输，从而提供一个典型的红外/射频模拟目标，对待测复合导引头进行仿真测试，验证其功能及性能指标是否满足要求。
射频/光学波束合成器的技术指标如下：
1.频率选择表面单元形状：十字缝隙环；
2.光学反射率：≥85％；
3.介质基底尺寸：160mm×160mm或80×80mm；
4.介质基底厚度：4mm～6mm(加工误差±0.05mm)；
5.介质相对介电常数：3.9；
6.介质的损耗正切角度：0.0004；
7.中心频率：35GHz；
8.谐振中心频率偏移：不大于±1.5GHz；
9.插入损耗：小于6dB；
10.光学反射波段范围：3um～5um；
11.射频传输方式：透射式；
12.光学传输方式：反射式；
13.射频/光学中心入射角度：斜45°；
14.入射角度范围：不大于±12°；
15.光学反射面的面型精度：不大于λ/8(RMS)；
16.反射膜层材料：金。
综上所述，本申请是用于将光学仿真与射频仿真有机结合，提出基于光学材料的射频/光学波束合成器设计方法，是一种新型的设计方法，具有较高的独创性。根据本方法得到的合成器，在光学材料表面镀制FSS平面，保证表面质量，确保光学信号的高反射率，同时可以使射频信号由FSS表面透射，避免偏振态的改变。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，包括步骤：
S1、确定设计指标；
S2、从数据库中调用设计参数，结合光学信号反射传输理论和射频透射传输理论，确定射频/光学波束合成器的初步设计结果；
S3、利用光学信号和射频信号仿真方法进行仿真；
S4、当仿真结果符合预期结果时，将初步设计结果作为最终结果；
否则，进行循环迭代设计，得到新的初步设计结果并进行仿真，当仿真结果符合预期结果时，将当前初步设计结果作为最终结果。
2.如权利要求1所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，步骤S1中的设计指标包括：光学波束合成器的光学反射波段和光学反射效率、射频透射波段和射频透射效率。
3.如权利要求1所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，步骤S2中所述设计参数包括基板材料特性参数和镀层材料特性参数。
4.如权利要求3所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，所述特性参数具体包括尺寸、形状、相对介电常数、磁导率和电导率。
5.如权利要求1所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，步骤S3中所述仿真方法具体包括：
S31、薄衬底FSS传输特性仿真；
S32、不同介电常数时薄衬底FSS传输特性仿真；
S33、不同衬底厚度的FSS传输特性仿真；
S34、厚衬底FSS传输特性仿真
S35、厚衬底FSS传输特性随单元尺寸参数变化仿真。
6.如权利要求1所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，步骤S4中所述初步设计结果具体包括：基板材料选择、表面处理要求、尺寸、形状；镀层材料选择，表面处理要求、镂空图形的形状、尺寸；镀层覆盖基板的面积比、镀层与基板的结合方式。
7.如权利要求1所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，步骤S4中所述预期结果根据射频/光学波束合成器使用目的及设计指标确定。
8.如权利要求1所述的一种射频/光学波束合成器的设计方法，其特征在于，步骤S4中所述迭代设计具体为：通过改变设计参数，得到新的初步设计结果，进行仿真后观察仿真结果与预期结果的差异，不断改变设计参数，当仿真结果符合预期结果时，停止循环迭代，将当前初步设计结果作为最终结果，设计完成。
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