雙曲頻率選擇面分光鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于天線反射【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種頻率選擇分光鏡。一種雙曲頻率選擇面分光鏡，它包括：介質(zhì)基底（1）和布置在所述介質(zhì)基底（1）上表面的金屬貼片（2），其特征是：介質(zhì)基底（1）選用透光性材料，介電常數(shù)3.78，形狀為旋轉(zhuǎn)雙曲面，金屬貼片（2）為十字形結(jié)構(gòu)，將所述金屬貼片單元布置在與所述介質(zhì)基底（1）中心點的切面相平行的位置，向下投影，得到所述金屬貼片（2）在所述介質(zhì)基底（1）上的位置及形狀。將本發(fā)明副反射面用于毫米波/紅外復(fù)合的卡塞格倫天線，能夠保證在毫米波段輻射特性良好的同時實現(xiàn)紅外頻段的被動接受，以實現(xiàn)兩種模式的天線共用一個天線口徑同時工作。
【專利說明】雙曲頻率選擇面分光鏡
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線反射【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種頻率選擇分光鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代電磁環(huán)境的復(fù)雜多變，單一頻段的探測方式由于受到各自缺陷的影響，已經(jīng)不再能夠滿足環(huán)境的需要，因此發(fā)展多模復(fù)合的探測裝置勢在必行。 [0003]多模復(fù)合探測目前最主要的模式有毫米波/紅外、毫米波/激光復(fù)合等。天線技術(shù)是實現(xiàn)復(fù)合探測的關(guān)鍵技術(shù)之一，而共口徑技術(shù)是針對不同工作模式或不同工作頻段的天線共用一種口徑的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，在一定程度上減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時減小了天線在系統(tǒng)中的占用體積，因此共口徑技術(shù)是實現(xiàn)復(fù)合探測的不二選擇。常用的共口徑技術(shù)中，頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)技術(shù)由于其制作工藝簡單、加工成本低而倍受青睞。
[0004]頻率選擇表面是由相同的單元沿著二維方向周期排列而成的無限或有限周期陣列結(jié)構(gòu)。目前，頻率選擇表面的分類方式有很多，按照單元形式分為貼片型和孔徑型，分別是由印刷在介質(zhì)基底上的金屬單元陣列或者鏤空的縫隙形金屬板組成。對于貼片型頻率選擇表面，處于諧振頻率的電磁波被全反射(帶阻性)，對于孔徑型頻率選擇表面，處于諧振頻率的電磁波被全透射(帶通性)，因此可以利用頻率選擇表面的帶阻或者帶通性質(zhì)，用于分光鏡的設(shè)計，以實現(xiàn)對部分頻率的電磁波全反射，部分頻率的電磁波全透射，達(dá)到光束分離的目的。在實際工程應(yīng)用中，F(xiàn)SS結(jié)構(gòu)的周期只能是有限大的，并且經(jīng)常需要與工作平臺的結(jié)構(gòu)共形，因此有限周期的曲面頻率選擇面的研究有著非常實際的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是:提供了一種雙曲頻率選擇面分光鏡，實現(xiàn)毫米波/紅外頻段的波束分離；其作為一種副反射面用于毫米波/紅外復(fù)合的卡塞格倫天線，能夠保證在毫米波段輻射特性良好的同時實現(xiàn)紅外頻段的被動接受，以實現(xiàn)兩種模式的天線共用一個天線口徑同時工作的目的。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種雙曲頻率選擇面分光鏡，它包括:介質(zhì)基底和布置在所述介質(zhì)基底上表面的金屬貼片，
[0007]介質(zhì)基底選用透光性材料，介電常數(shù)3.78，形狀為旋轉(zhuǎn)雙曲面，其雙曲線方程為:
2 2
[0008]= 1 4.26" 8.^5"
[0009]其中，其中x、y為雙曲線上的點坐標(biāo)，雙曲面厚度均勻，口徑大小為24mm ；
[0010]金屬貼片為十字形結(jié)構(gòu)，它的排布方式為:以一個金屬貼片為中心，過其中心點做兩條相互交叉的45°虛線，將四個金屬貼片分別布置在兩條相互交叉的45°虛線上，且所述四個金屬貼片的中心點連線構(gòu)成正方形，再分別以所述四個金屬貼片中的一個為中心，按此方式延續(xù)排列，組成金屬貼片平面；[0011]將所述金屬貼片平面布置在與所述介質(zhì)基底中心點的切面相平行的位置，向下投影，得到所述金屬貼片在所述介質(zhì)基底上的位置及形狀。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:(I)所選用的頻率選擇表面技術(shù)是實現(xiàn)兩種工作模式共用一個口徑的關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以使天線在毫米波頻段滿足高增益的同時，并且可以有效地實現(xiàn)紅外頻段的被動接受；
[0013](2)所設(shè)計的頻率選擇面為雙曲率結(jié)構(gòu)，結(jié)合了電訊設(shè)計及實際工藝特性考慮，解決了實際的工程應(yīng)用問題；所選用的十字形金屬貼片單元，由于自身結(jié)構(gòu)的對稱性，對兩種不同的極化波入射(TE、TM)均不敏感；
[0014](3)在毫米波w頻段，所設(shè)計的雙曲頻率選擇面，具有很好的反射特性，可以用該結(jié)構(gòu)替代金屬副反射面來組裝卡式天線系統(tǒng)；在毫米波w頻段，采用卡塞格倫天線系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)微帶天線高損耗的特點，提高了天線的輻射性能，從而增強(qiáng)了目標(biāo)探測能力；
[0015](4)在小型化精確探測領(lǐng)域具有重要的實用價值，克服了傳統(tǒng)單一模式的探測精度，可以大幅度提高目標(biāo)檢測概率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為圖1的俯視圖；
[0018]圖3為本發(fā)明金屬貼片投影方法示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明金屬貼片排布方式示意圖；
`[0020]圖5為本發(fā)明與卡塞格倫天線的整體組裝結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖6為本發(fā)明與卡塞格倫天線的光路圖；
[0022]圖7為本發(fā)明對不同角度入射的平面波反射系數(shù)的幅度和相位仿真結(jié)果；
[0023]圖8為本發(fā)明中心頻率處卡塞格倫天線的E面方向圖仿真結(jié)果；
[0024]圖9為本發(fā)明中心頻率處卡塞格倫天線的H面方向圖仿真結(jié)果；
[0025]圖10為本發(fā)明中心頻率處卡塞格倫天線的駐波比仿真結(jié)果。
[0026]其中，1-介質(zhì)基底、2-金屬貼片、3-主反射面、4-副反射面、5-角錐喇叭天線、6-介質(zhì)桿、7-金屬支撐桿、8-W頻段的毫米波光路、9-紅外頻段光路。
【具體實施方式】
[0027]參見附圖1、2，一種雙曲頻率選擇面分光鏡，它包括:介質(zhì)基底I和布置在介質(zhì)基底I上表面的金屬貼片2，介質(zhì)基底I選用透光性材料，從而可以透射紅外頻段，介電常數(shù)
3.78，形狀為旋轉(zhuǎn)雙曲面，其雙曲線方程為:
JC2V2
[0028]-- - ~- = I
4.2628.552
[0029]其中，其中x、y為雙曲線上的點坐標(biāo)，雙曲面厚度均勻，口徑大小為24mm ；
[0030]參見附圖4，金屬貼片2為十字形結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)自身的對稱性，對于兩種極化形式的入射波波(TE、TM)，相應(yīng)相同，即具有相同的諧振頻率，它的排布方式為:以一個金屬貼片2為中心，過其中心點做兩條相互交叉的45°虛線，將四個金屬貼片2分別布置在兩條相互交叉的45°虛線上，且所述四個金屬貼片2的中心點連線構(gòu)成正方形，再分別以所述四個金屬貼片2中的一個為中心，按此方式延續(xù)排列，組成金屬貼片平面；
[0031]參見附圖3，將金屬貼片平面布置在與介質(zhì)基底I中心點的切面相平行的位置，沿00’向下投影，得到金屬貼片2在介質(zhì)基底I上的位置及形狀；
[0032]由于諧振頻率的波長由單元長度決定，約為長度的兩倍，因此在優(yōu)選實施例中，將金屬貼片2的長度I設(shè)定為1.05mm,寬度w設(shè)定為0.1lmm,中心點連線為45°角的相鄰金屬貼片2的距離設(shè)定P為1.3mm,金屬貼片2邊緣處切角半徑為0.05mm,。
[0033]參見附圖5，將雙曲頻率選擇面分光鏡作為副反射面4固定安裝在卡塞格倫天線的主反射面3上，組成雙模復(fù)合天線；安裝方式為:副反射面4的背部設(shè)有圓柱形介質(zhì)桿6，3個金屬支撐桿7 —端固定連接圓柱形介質(zhì)桿6,另一端固定連接卡塞格倫天線的主反射面3，將副反射面4安裝與卡塞格倫天線的主反射面3上；
[0034]卡塞格倫天線的毫米波的中心頻率為93GHz，紅外頻段的波長為1.06um，其主反射面3為金屬結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)拋物面，其拋物線方程為:
[0035]f 2 = 162x，
[0036]其中x’、f為拋物面上的點坐標(biāo)，拋物面口徑大小為135mm ；
[0037]卡塞格倫天線的主反射面3的中心設(shè)有四個對稱的長方形孔，安裝角錐喇叭天線
5；
[0038]組裝完成后，雙模復(fù)合天線在微波頻段中心頻率處天頂主極化增益為33.6dBi，在紅外頻段透過率為74.1% ;所述復(fù)合天線在92-94GHZ頻帶內(nèi)駐波比小于1.47 ;附圖6給出復(fù)合天線的光路圖，8代表W頻段的毫米波光路圖，9代表紅外頻段光路圖；
[0039]如附圖7-10所示，平面十字形FSS對于不同角度入射的平面波(0-45°入射，步進(jìn)5° )，在92-93GHZ頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)的幅度變化范圍為(-0.002，-0.08) dB，相位變化范圍為(172.28，181.27)度。雙模復(fù)合天線工作的中心頻率為93GHz。由于所設(shè)計的頻率選擇表面為貼片單元，諧振時呈現(xiàn)全反射特性，因此在理論上可以與理想導(dǎo)體(PerfectElectric Conductor, PEC)等效。在中心頻率93GHz處,對比了由本發(fā)明組成的卡塞格倫天線系統(tǒng)與金屬副反射面組成的卡式天線系統(tǒng)，在天線的兩個正交平面E面和H面內(nèi)，輻射方向圖基本一致，天頂主極化增益分別為33.6dB1、34.5dBi，相差0.9dBi，3dB波瓣寬度均為2.5度，交叉極化隔離也均在35dB左右。
[0040]所設(shè)計的雙曲副反射面，由于所設(shè)計的單元尺寸相對于紅外頻段的波長而言是電大尺寸，因而用物理光學(xué)的近似方法來分析該結(jié)構(gòu)對紅外的散射而不會引起太大誤差。在不考慮介質(zhì)情況的影響下，該結(jié)構(gòu)對紅外的透過率決定于面上非金屬的占有面積，透過率為 74.1%。
【權(quán)利要求】
1.一種雙曲頻率選擇面分光鏡，它包括:介質(zhì)基底(I)和布置在所述介質(zhì)基底(I)上表面的金屬貼片(2)，其特征是: 介質(zhì)基底(I)選用透光性材料，介電常數(shù)3.78，形狀為旋轉(zhuǎn)雙曲面，其雙曲線方程為:
2.如權(quán)利要求1所述的一種雙曲頻率選擇面分光鏡，其特征是:所述金屬貼片(2)的長度I為1.05mm，寬度w為0.11mm，中心點連線為45°角的相鄰所述金屬貼片(2)的距離P 為 1.3mm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種雙曲頻率選擇面分光鏡，其特征是:它作為副反射面(4)固定安裝在卡塞格倫天線的主反射面(3)上，組成雙模復(fù)合天線；所述卡塞格倫天線的主反射面(3)為金屬結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)拋物面，其拋物線方程為:
f2 = 162x， 其中x’、y’為拋物面上的點坐標(biāo)，拋物面口徑大小為135mm ； 所述卡塞格倫天線的主反射面(3)的中心設(shè)有四個對稱的長方形孔，安裝角錐喇叭天線(5)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種雙曲頻率選擇面分光鏡，其特征是:所述副反射面(4)的背部設(shè)有圓柱形介質(zhì)桿(6 ), 3個金屬支撐桿(7 ) 一端固定連接所述圓柱形介質(zhì)桿(6 ),另一端固定連接所述卡塞格倫天線的主反射面(3)，將所述副反射面(4)安裝與卡塞格倫天線的主反射面(3)上。
【文檔編號】H01Q19/19GK103700949SQ201310576423
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】韓敏, 孫厚軍, 何芒, 葉喜紅, 韓超 申請人:北京理工大學(xué)