CN108110419A - 一种修正天线罩瞄准误差的方法 - Google Patents

一种修正天线罩瞄准误差的方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种修正天线罩瞄准误差的方法。本发明实施例中所提供的修正天线罩瞄准误差的方法，包括根据超表面的周期尺寸将天线罩的罩体离散成多个离散单元；计算各个所述离散单元所对应的天线罩的罩体厚度；采用相位公式计算获得各个所述离散单元的插入相位；改变所述超表面的单元结构尺寸，使得所述超表面相位改变刚好补偿插入相位且超表面与所述天线罩的组合体的透射系数为1；制备超表面的阵列结构并将所述超表面贴附在所述天线罩的内表面。本发明实施例中所提供的修正天线罩瞄准误差的方法实现了低成本且高精确度的修正天线罩瞄准误差的目的。

Description

一种修正天线罩瞄准误差的方法
技术领域
本发明涉及天线罩的技术领域，具体涉及一种采用异常透射型超表面补偿天线罩瞄准误差的方法。
背景技术
目前，精确制导导弹多采用雷达制导的方式，雷达制导方式中的导引头天线作为发射和接收电磁波的部件在精确制导中起到十分重要的作用。导引头天线通常位于导弹的头部，为了保护导引头天线能够在导弹高速运动过程中正常工作，必须选用能满足导弹气动外形要求的天线罩对导引头天线进行保护。由于天线罩材料的原因，电磁波遇到天线罩后会产生发射，从而降低了导引头天线的探测距离。由于受到天线罩气动外形的影响，天线罩外形往往较为复杂，而且天线罩罩体厚度的不均匀也会引起电磁波的折射并对导引头天线的测量精度产生不利的影响，使导引头天线指向一个不真实的目标方向，进而导致瞄准误差。在单脉冲体制的雷达制导方式中导引头天线中，瞄准误差是指由于天线罩造成的波束指向偏差，即导引头天线的方向在图零深位置的偏移。
随着导弹向着高超音速方向发展，从有利于导弹气动力设计的角度考虑，更加细长的流线型天线罩外形能够有效减阻，有利于提高导弹飞行速度。然而，更加长细比的天线罩会使罩壁在不同位置上入射的电磁波有不同程度的插入相位从而引起相位失真。天线罩外形越细长，天线罩瞄准误差的变化率越大。随着导弹飞行高度的升高，制导控制系统受到天线罩瞄准误差的影响愈发明显，从而会增加脱靶量，甚至导致控制系统失稳。因此，需要对天线罩的瞄准误差进行补偿。
目前，通过对天线罩本身特性以及导引头天线的工作原理的分析，通常采用两类方法来对天线罩的瞄准线误差进行补偿。第一类方法是机械加工补偿方法：在分析并确定了透过天线罩罩壁的电磁波折射的全部不均匀性后，在天线罩相应的位置处适当地增加或减小天线罩罩壁的厚度，或者是在天线罩的某些部位安装天线罩补偿器，从而增加一个与天线罩导致的电磁波畸变相反的不均匀性，从而补偿由于天线罩对电磁波的畸变而导致的天线罩瞄准线误差。第一类方法需要增加或减小天线罩的厚度或者增加设备，而且需要依赖于电磁波折射的分析结果，不仅成本较高而且难以控制补偿的精确性。第二类方法是在导弹控制回路中采用滤波器分析回路或者微型计算机(诸如单片机、DSP等)来实现对天线罩瞄准线误差的补偿：通过数字补偿电路在导引头天线模拟器中引入一个相应的对消分量，来和导引头信号进行叠加，从而实现对天线罩瞄准线误差斜率的消除，使得最终用于参与控制的输入信号变为接近理想的无天线罩状态的控制信号，从而很好的改善天线罩带来的瞄准线误差影响。第二类方法虽然只需要进行数字滤波，但是滤波的精确度很难控制，从而很难确定误差补偿的精确度。
因此，针对现有的修正天线罩瞄准误差的方法所存在的问题，急需一种既能够有效地降低成本，也能够提高修正天线罩瞄准误差精确度的修正天线罩瞄准误差的方法。
发明内容
针对现有修正天线罩瞄准误差的方法所存在的问题，本发明实施例提出一种采用异常透射型超表面补偿天线罩瞄准误差的方法。该方法在电厚度不均匀的天线罩内表面贴附由异常透射型超表面单元阵列组成的薄膜，从而达到补偿天线罩的插入相位，实现低成本且高精确度的修正天线罩瞄准误差的目的。
该修正天线罩瞄准误差的方法的具体方案如下：一种修正天线罩瞄准误差的方法，其包括以下步骤：根据超表面的周期尺寸将天线罩的罩体离散成多个离散单元；计算各个所述离散单元所对应的天线罩的罩体厚度；采用相位公式计算获得各个所述离散单元的插入相位；改变所述超表面的单元结构尺寸，使得所述超表面相位改变刚好补偿插入相位且超表面与所述天线罩的组合体的透射系数为1；制备超表面的阵列结构，并将所述超表面贴附在所述天线罩的内表面。
优选地，所述相位公式的具体表达式如下所示：
其中，ΔΦi为第i个离散单元的所对应的天线罩的插入相位，di为第i个离散单元的天线罩的罩体厚度，εr为天线罩材料的相对介电常数，λ0为自由空间的波长。
优选地，所述超表面的结构尺寸使得相应超表面对入射电磁波的改变相位符合下述表达式：
ΔΦi+ΔΦ′i＝ΔΦi+1+ΔΦ′i+1
其中，ΔΦi为第i个离散单元所对应的天线罩的插入相位，ΔΦ′i为第i个离散单元所对应超表面对入射电磁波的改变相位。
优选地，所述插入相位和所述改变相位之和为常数。
优选地，所述超表面的阵列结构采用柔性多层印刷线路板工艺制备。
优选地，所述超表面采用柔性膜转移技术贴附于所述天线罩的内表面。
优选地，所述超表面采用异常透射型超表面。
优选地，所述异常透射型超表面为非周期的阵列结构。
优选地，所述异常透射型超表面的透射相位的变化范围为[-π，π]。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中所提供的修正天线罩瞄准误差的方法，通过采用异常透射型超表面补偿的方式，在电厚度不均匀的天线罩内表面贴附由异常透射型超表面单元阵列组成的薄膜，从而达到补偿天线罩的插入相位，实现低成本且高精确度的修正天线罩瞄准误差的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种天线罩瞄准误差的示意图；
图2为本发明实施例中提供的天线罩厚度不均匀引起波束偏折及超表面对波束校正的示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种修正天线罩瞄准误差方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中提供的采用异常透射型超表面修正瞄准误差的原理示意图。
附图标记说明：
10、导引头天线 20、天线罩 30、超表面
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种天线罩瞄准误差的示意图。导引头天线10的外围设置有天线罩20，由于天线罩20对导引头天线10所发出的电磁波产生的偏折作用，使得视在目标X3方向偏离了实际目标X2的方向，从而使得导弹指向了一个不真实的目标，产生瞄准误差。
为了更好地阐述本发明实施例中所提供的修正天线罩瞄准误差的方法，先对一些电磁领域的术语进行阐述。
电磁超材料是指经人工设计的单元结构，其具有自然媒质无法实现的电磁响应。电磁超材料通常采用介电常数ε与磁导率μ两个电磁参数来描述电磁波在物质中传播的规律。通过对介电常数ε与磁导率μ的操控可以自由地操控电磁波的传播。电磁超材料具有电磁参数调节范围大、设计灵活等优点，但是，电磁超材料同时具有体积大和损耗高的缺点，这些缺点限制了电磁超材料的发展应用。
电磁超表面是一种与电磁超材料不同的单元结构。电磁超表面采用单层或很薄的多层结构对电磁波进行操控。电磁波在经过电磁超表面后会发生相位或幅度的突变，从而实现与块状电磁超材料类似的电磁调控特性。利用电磁超表面在介质分界面处相位不连续的特点，可以实现对电磁波异常反射或异常透射，从而可以自由地控制电磁波的传播。
异常透射型超表面是通过改变超表面各个单元的电极化率αe和磁极化率αm使透射的电磁波按特定方式传播。例如，可以使超表面的表面阻抗与自由空间波阻抗相匹配，从而消除反射；可以使超表面透射相位从-π变化到π，从而修正透射波波前。
本发明实施例中提供的一种修正天线罩瞄准误差方法采用异常透射型超表面修正天线罩的插入相位，从而修正天线罩的瞄准误差和瞄准误差斜率，解决由于天线罩厚度不均匀而引起的瞄准误差问题，进而提高雷达制导导弹的命中概率。
如图2所示，为本发明实施例中提供的天线罩厚度不均匀引起波束偏折及超表面对波束校正的示意图。在该实施例中，天线罩20的厚度不均匀处包括ΔΦ1、ΔΦ2、ΔΦ3、ΔΦ4，当未加入超表面时，由于天线罩20的厚度不均匀，入射波经过天线罩20后出射波的方向发生了偏折；当加入超表面后，由于超表面的修正作用，入射波经过天线罩20后出射波的方向不再发生偏折，即导引头天线10所发出的电磁波按照原始方向继续传播。
异常透射型超表面改变透射相位的原理如下所述：为了最大程度增加超表面的透射效率，必须使超表面阻抗与自由空间阻抗相匹配。通过改变超表面的电极化率αe和磁极化率αm，可以使其表面阻抗与自由空间相匹配，从而完全消除电磁波的反射，电极化率αe和磁极化率αm相互间的关系如公式1所示：
其中，η0为自由空间波阻抗，此时超表面的透射系数如公式2所示：
分析公式2可知，当电极化率αe为实数时，透射系数始终为1。通过改变电极化率αe，透射系数相位变化范围可以覆盖-π到π。
如图3所示，本发明实施例中提供的一种修正天线罩瞄准误差方法的流程示意图。该修正天线罩瞄准误差方法包括五个步骤，具体的步骤内容如下所述：
步骤S1：根据超表面的周期尺寸将天线罩的罩体离散成多个离散单元。
步骤S2：计算各个所述离散单元所对应的天线罩的罩体厚度di。
步骤S3：采用相位公式计算获得各个所述离散单元的插入相位。相位公式的具体表达式，如公式3所示：
其中，ΔΦi为插入相位，di为天线罩的罩体厚度，εr为天线罩材料的相对介电常数，λ0为自由空间的波长。
步骤S4：改变所述超表面的单元结构尺寸，使得所述超表面相位改变刚好补偿插入相位且超表面与所述天线罩的组合体的透射系数为1。超表面的结构尺寸使得相应超表面对入射电磁波的改变相位符合公式4所示的关系：
ΔΦi+ΔΦ′i＝ΔΦi+1+ΔΦ′i+1(公式4)
其中，ΔΦi为第i个离散单元所对应的天线罩的插入相位，ΔΦ′i为第i个离散单元所对应超表面对入射电磁波的改变相位。优选地，所述插入相位和所述改变相位之和为常数。
步骤S5：制备超表面的阵列结构，并将所述超表面贴附在所述天线罩的内表面。超表面的阵列结构可以采用多种不同工艺进行制备，具体如：采用柔性多层印刷线路板工艺制备。当采用柔性多层印刷线路板工艺制备超表面的阵列结构时，超表面可以采用柔性膜转移技术贴附于天线罩20的内表面。当入射电磁波穿过超表面与天线罩的组合体后，导引头天线10所发出的电磁波将不再发生偏折，并且透射系数始终为1。
进一步地，本发明实施例中所采用的异常透射型超表面为非周期的阵列结构。
如图4所示，本发明实施例中提供的采用异常透射型超表面修正瞄准误差的原理示意图。根据超表面的周期尺寸，将天线罩20的罩体离散成n个(n＝1、2、3…i…n)离散单元。计算离散化后天线罩20地i个离散单元的电厚度di，并提取第i个离散单元处天线罩20的插入相位ΔΦi。通过调整超表面30单元的结构参数，使得超表面在保证透射系数等于1的同时，透射相位改变值为Δφ'i，并且保证所有离散单元的插入相位与超表面透射相位改变值之和为常数。
本发明实施例中所提供的修正天线罩瞄准误差的方法，通过采用异常透射型超表面补偿的方式，在电厚度不均匀的天线罩内表面贴附由异常透射型超表面单元阵列组成的薄膜，从而达到补偿天线罩的插入相位，实现低成本且高精确度的修正天线罩瞄准误差的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据超表面的周期尺寸将天线罩的罩体离散成多个离散单元；
计算各个所述离散单元所对应的天线罩的罩体厚度；
采用相位公式计算获得各个所述离散单元的插入相位；
改变所述超表面的单元结构尺寸，使得所述超表面相位改变刚好补偿插入相位且超表面与所述天线罩的组合体的透射系数为1；
制备超表面的阵列结构，并将所述超表面贴附在所述天线罩的内表面。
2.根据权利要求1所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述相位公式的具体表达式如下所示：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;Phi;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mi>i</mi> </msub> <msqrt> <msub> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>r</mi> </msub> </msqrt> </mrow> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> </mrow>
其中，ΔΦi为第i个离散单元的所对应的天线罩的插入相位，di为第i个离散单元的天线罩的罩体厚度，εr为天线罩材料的相对介电常数，λ0为自由空间的波长。
3.根据权利要求1所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述超表面的结构尺寸使得相应超表面对入射电磁波的改变相位符合下述表达式：
ΔΦi+ΔΦ′i＝ΔΦi+1+ΔΦ′i+1
其中，ΔΦi为第i个离散单元所对应的天线罩的插入相位，ΔΦ′i为第i个离散单元所对应超表面对入射电磁波的改变相位。
4.根据权利要求3所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述插入相位和所述改变相位之和为常数。
5.根据权利要求1所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述超表面的阵列结构采用柔性多层印刷线路板工艺制备。
6.根据权利要求5所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述超表面采用柔性膜转移技术贴附于所述天线罩的内表面。
7.根据权利要求1所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述超表面采用异常透射型超表面。
8.根据权利要求7所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述异常透射型超表面为非周期的阵列结构。
9.根据权利要求7所述的一种修正天线罩瞄准误差的方法，其特征在于，所述异常透射型超表面的透射相位的变化范围为[-π，π]。
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