CN108281795B - 一种频率选择表面型曲面介质及卡塞格伦天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频率选择表面型曲面介质及卡塞格伦天线系统，该曲面介质包括介质基底，介质基底的上表面为锅盖状的曲面，下表面是在上表面相同形状的基础上朝介质基底上表面方向削切形成的形状，使得介质基底上表面到下表面的垂直距离从介质基底的外边缘到中心依次递减；所述介质基底的上表面附着有设定厚度的金属层，锅盖状的金属层的中间区域实现所需波段能量全反射，外围区域的金属层上环形阵列设置有相同大小的缝隙单元，实现所需波段能量的透射。该发明的优点在于：本发明通过调整介质基底从外边缘到中心的厚度不同，这样即使投射角度发生变化，金属层的缝隙从外边缘到中心的尺寸均不需要发生变化，这样大大降低了加工的难度。

Description

一种频率选择表面型曲面介质及卡塞格伦天线系统
技术领域
本发明天线反射面技术领域，尤其是一种频率选择表面型曲面介质及卡塞格伦天线系统。
背景技术
随着国内毫米波技术水平的进步，毫米波测云雷达技术也得到了快速发展，单一波段的测云雷达因其各自的固有缺陷影响，已不能满足目前系统的需求，发展双波段或多波段测云雷达势在必行。早期进行双波长探测采用双雷达，即两部不同波段的雷达同时开机，对同一目标进行探测。这种方法最大的问题是难以保证两部雷达探测的是同一目标，且设备量大，运行维护要求高。共口径天线雷达，是解决上述问题的有效方法。共口径技术是不同的工作频段共用一种天线口径的结构技术，一定程度上减少了系统的复杂度和天线在系统中的体积。常用的共口径技术中，频率选择表面具有结构简单、加工成本低等优势，是一种较佳的选择。
频率选择表面(FSS)是一种单层或多层周期结构，一般由相同的金属贴片单元或者金属屏上的孔径缝隙单元按照一定的规律排列而成。作为一种空间滤波装置，其对不同的频率、极化方式、入射角度具有不同的散射特性，从而可以有效的控制电磁波的反射或透射性能。至今为止，大多数对FSS的研究大都处于无限大或有限大的平面结构，而实际应用中采用频率选择表面技术的大多都是有限大的曲面结构形式。曲面结构的FSS并没有呈现出严格的类似无限大平面结构FSS的周期特性，因而当电磁波入射时，会产生频率漂移、极化不稳定等特性，使问题的分析变得相对复杂。因此急需一种频率选择表面型曲面介质及卡塞格伦天线系统来控制电磁波的反射或投射性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，为此，本发明提供一种频率选择表面型曲面介质及卡塞格伦天线系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种频率选择表面型曲面介质，包括介质基底，介质基底的上表面为锅盖状的曲面，下表面是在上表面相同形状的基础上朝介质基底上表面方向削切形成的形状，使得介质基底上表面到下表面的垂直距离从介质基底的外边缘到中心依次递减；所述介质基底的上表面附着有设定厚度的金属层，锅盖状的金属层的中间区域实现所需波段能量全反射，外围区域的金属层上环形阵列设置有相同大小的缝隙单元，实现所需波段能量的透射。
优化的，所述介质基底的上表面的形状由双曲线方程
Figure BDA0001495433240000021
中的一条曲线绕x轴旋转后形成的形状，其中，x、y为双曲线的点坐标，a、b为双曲线坐标轴对应的半长轴、半短轴，与x轴相交的点作为介质基底上表面的中点。
优化的，所述介质基底的下表面的外边缘到中心为阶梯状。
优化的，所述介质基底的下表面的中心位置还设置有用于支撑介质的介质柱，所述介质柱长度方向的中轴线与X方向重合。
优化的，金属层上阵列的缝隙单元为环状。
优化的，环状的缝隙单元采用沿曲面顶点法向垂直投影的方式进行刻蚀。
优化的，所述介质基底的材料为聚四氟乙烯。
优化的，a＝14.9mm,b＝41.8mm，介质基底的口径为150mm。
优化的，环形的缝隙单元的内半径为0.52mm，外半径为0.62mm，单元间距为1.24mm，在投射角0°～30°范围，介质基底的厚度为3.4mm；在投射角30°～40°范围，介质基底的厚度为3.55mm；在投射角40°～50°范围，介质基底的厚度为3.7mm；在投射角50°～60°范围，介质基底的厚度为3.9mm。
包括上述频率选择表面型曲面介质的卡塞格伦天线系统，还包括主反射面、馈源喇叭、固定支架、馈源套筒；频率选择表面型曲面介质通过固定支架与馈源喇叭的外口面固定，所述频率选择表面型曲面介质内的金属层作为副反射面，副反射面与主反射面相对设置；馈源喇叭的另一端通过馈源套筒直接固定于主反射面的中心位置，馈源喇叭的内部馈线直接与后端收发系统相连。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用的频率选择表面技术为实现双波段共口径天线关键技术，在保证低频波段电磁能量全反射的情况下，金属层上设置的缝隙单元，实现了高频波段电磁能量的透射功能，展宽了高频波段的辐射波瓣宽度，达到双频段波束等化的目的，本发明通过调整介质基底从外边缘到中心的厚度不同，这样即使投射角度发生变化，金属层的缝隙从外边缘到中心的尺寸均不需要发生变化，这样大大降低了加工的难度。
(2)本发明采用的频率选择表面应用的是符合双曲线形状的曲面结构，且为毫米波波段，结合了电讯性能和实际加工工艺的综合考虑，所选用的缝隙单元为环形的缝隙，由于整个介质为以X轴为中心的轴对称结构，因此具有工作频带宽、对极化电磁波(TE波、TM波)不敏感等优点。
(3)阶梯状的设置在曲面介质实现效果的基础上降低了曲面介质的加工难度。
(4)介质柱的设置可以方便曲面介质的固定。
(5)本发明中包括曲面介质的卡塞格伦天线系统，其中曲面介质相当于口径变小的副反射面，不仅达到双波段共面的效果，还实现了波束等化的目的。
(6)本发明的曲面介质和包括曲面介质的卡塞格伦天线系统的结构简单紧凑、应用方便，性能优越，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明一种频率选择表面型曲面介质下表面处的结构图。
图2为本发明一种频率选择表面型曲面介质上表面的结构图和上表面局部放大图。
图3为本发明一种频率选择表面型曲面介质在xy平面上的剖视图。
图4为本发明中的卡塞格伦天线系统的整体结构示意图。
图5为本发明频率选择表面型曲面介质在Ka波段、W波段各投射角度下的传输系数图。
图6为本发明卡塞格伦天线系统在Ka波段的E面、H面辐射方向图。
图7为本发明卡塞格伦天线系统在W波段的E面、H面辐射方向图。
图中标注符号的含义如下：
1-介质基底 11-下表面 12-上表面
2-金属层 21-中间区域 22-外围区域 24-缝隙单元
3-介质柱 4-馈源喇叭 5-固定支架 6-馈源套筒 7-主反射面
具体实施方式
实施例1
如图1-3所示，一种频率选择表面型曲面介质，包括介质基底1，介质基底 1选用透波性能良好、介质损耗较低的介质材料，在本实施例中，介质基底1的材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.1。介质基底1上表面12为锅盖状的曲面，下表面11是在上表面12相同形状的基础上朝介质基底1上表面12方向削切形成的形状，使得介质基底1上表面12到下表面11的垂直距离从介质基底1的外边缘到中心依次递减；在本实施例中，介质基底1的下表面11的外边缘到中心为阶梯状，即实现介质基底1厚度按照电磁波投射角度的不同而呈现阶梯式变化，从介质基底1的外边缘到中心，透射角度逐渐减小，因此介质基底1的厚度随梯度性减小。
在该实施例中介质基底1的上表面12的形状由双曲线方程
Figure BDA0001495433240000041
中的一条曲线绕x轴旋转后形成的形状，其中，x、y为双曲线的点坐标，a、b为双曲线坐标轴对应的半长轴、半短轴，与x轴相交的点作为介质基底1上表面12的中点，其中a＝14.9mm,b＝41.8mm，介质基底1的口径为150mm。
所述介质基底1的上表面12附着有设定厚度的金属层2，锅盖状的金属层 2的中间区域21实现所需波段能量全反射，外围区域22的金属层2上环形阵列设置有相同大小的环形的缝隙，实现高频段W波段能量的良好透射功能以及Ka 波段能量的全反射。
环形的缝隙单元24采用沿曲面顶点法向垂直投影的方式进行刻蚀，随着投射角度的变化，介质基底1的下表面11设置为阶梯状，是为了保证整个副反射面环形的缝隙单元24尺寸的一致性，易于整个曲面介质的制图和加工。
由于谐振频率和缝隙单元24尺寸密切相关，在本实施例中，缝隙单元24 谐振于W波段，环形的缝隙单元24的内半径为0.52mm，外半径为0.62mm，单元间距为1.24mm。在投射角度0°～60°范围内。该曲面介质在Ka波段、W波段的性能指标如附图5所示，不仅达到了技术指标性能要求，还简化了加工工艺。各个投射角度范围内的介质厚度如下：在投射角0°～30°范围，介质基底1厚度为3.4mm；在投射角30°～40°范围，介质基底1厚度为3.55mm；在投射角 40°～50°范围，介质基底1厚度为3.7mm；在投射角50°～60°范围，介质基底1厚度为3.9mm；介质厚度有内向外逐渐加厚，也保证了整个介质副面的结构强度。
介质基底1的下表面11的中心位置还设置有用于支撑介质的介质柱3，介质柱3长度方向的中轴线与X轴重合。
实施例2
参见附图4，包括实施例1所述的频率选择表面型曲面介质的卡塞格伦天线系统还包括主反射面7、馈源喇叭4、固定支架5、馈源套筒6。频率选择表面型曲面介质通过固定支架5与馈源喇叭4外口面固定，所述频率选择表面型曲面介质内的金属层2作为副反射面，副反射面与主反射面7相对设置。馈源喇叭4另一端通过馈源套筒6直接固定于主反射面7的中心位置，馈源喇叭4 的内部馈线直接与后端收发系统相连。由于本发明的独有特性，不仅实现了Ka 波段、W波段共口径要求，还实现了Ka波段、W波段照射不同的主面工作区，达到了双波段波束等化的目的。
按照装配完成的卡塞格伦天线系统，进行了双波段的天线远场辐射特性的仿真验证，其辐射特性如附图5、图6、图7所示，在整个天线的E面、H面内，辐射方向图基本一致，最大增益约在51dB，其波瓣宽度约0.35°，具有较好的波束等化性能。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，包括介质基底(1)，介质基底(1)的上表面(12)为锅盖状的曲面，下表面(11)是在上表面(12)相同形状的基础上朝介质基底(1)上表面(12)方向削切形成的形状，使得介质基底(1)上表面(12)到下表面(11)的垂直距离从介质基底(1)的外边缘到中心依次递减；所述介质基底(1)的上表面(12)附着有设定厚度的金属层(2)，锅盖状的金属层(2)的中间区域(21)实现所需波段能量全反射，外围区域(22)的金属层(2)上环形阵列设置有相同大小的缝隙单元(24)，实现所需波段能量的透射；
环形的缝隙单元(24)的内半径为0.52mm，外半径为0.62mm，单元间距为1.24mm，在投射角0°～30°范围，介质基底(1)的厚度为3.4mm；在投射角30°～40°范围，介质基底(1)的厚度为3.55mm；在投射角40°～50°范围，介质基底(1)的厚度为3.7mm；在投射角50°～60°范围，介质基底(1)的厚度为3.9mm。
2.根据权利要求1所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，所述介质基底(1)的上表面(12)的形状由双曲线方程
Figure FDA0002486137230000011
中的一条曲线绕x轴旋转后形成的形状，其中，x、y为双曲线的点坐标，a、b为双曲线坐标轴对应的半长轴、半短轴，与x轴相交的点作为介质基底(1)上表面(12)的中点。
3.根据权利要求1所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，所述介质基底(1)的下表面(11)的外边缘到中心为阶梯状。
4.根据权利要求1所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，所述介质基底(1)的下表面(11)的中心位置还设置有用于支撑介质的介质柱(3)，所述介质柱(3)长度方向的中轴线与X方向重合。
5.根据权利要求2所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，金属层(2)上阵列的缝隙单元(24)为环状。
6.根据权利要求5所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，环状的缝隙单元(24)采用沿曲面顶点法向垂直投影的方式进行刻蚀。
7.根据权利要求1所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，所述介质基底(1)的材料为聚四氟乙烯。
8.根据权利要求5所述的一种频率选择表面型曲面介质，其特征在于，a＝14.9mm,b＝41.8mm，介质基底(1)的口径为150mm。
9.包括权利要求1-8任意一项所述的频率选择表面型曲面介质的卡塞格伦天线系统，其特征在于，还包括主反射面(7)、馈源喇叭(4)、固定支架(5)、馈源套筒(6)；频率选择表面型曲面介质通过固定支架(5)与馈源喇叭(4)的外口面固定，所述频率选择表面型曲面介质内的金属层(2)作为副反射面，副反射面与主反射面(7)相对设置；馈源喇叭(4)的另一端通过馈源套筒(6)直接固定于主反射面(7)的中心位置，馈源喇叭(4)的内部馈线直接与后端收发系统相连。
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