CN103700949A - 双曲频率选择面分光镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线反射技术领域，具体涉及一种频率选择分光镜。一种双曲频率选择面分光镜，它包括：介质基底（1）和布置在所述介质基底（1）上表面的金属贴片（2），其特征是：介质基底（1）选用透光性材料，介电常数3.78，形状为旋转双曲面，金属贴片（2）为十字形结构，将所述金属贴片单元布置在与所述介质基底（1）中心点的切面相平行的位置，向下投影，得到所述金属贴片（2）在所述介质基底（1）上的位置及形状。将本发明副反射面用于毫米波/红外复合的卡塞格伦天线，能够保证在毫米波段辐射特性良好的同时实现红外频段的被动接受，以实现两种模式的天线共用一个天线口径同时工作。

Description

双曲频率选择面分光镜

技术领域

本发明属于天线反射技术领域，具体涉及一种频率选择分光镜。

背景技术

随着现代电磁环境的复杂多变，单一频段的探测方式由于受到各自缺陷的影响，已经不再能够满足环境的需要，因此发展多模复合的探测装置势在必行。

多模复合探测目前最主要的模式有毫米波/红外、毫米波/激光复合等。天线技术是实现复合探测的关键技术之一，而共口径技术是针对不同工作模式或不同工作频段的天线共用一种口径的机械结构形式，在一定程度上减小了***的复杂度，同时减小了天线在***中的占用体积，因此共口径技术是实现复合探测的不二选择。常用的共口径技术中，频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）技术由于其制作工艺简单、加工成本低而倍受青睐。

频率选择表面是由相同的单元沿着二维方向周期排列而成的无限或有限周期阵列结构。目前，频率选择表面的分类方式有很多，按照单元形式分为贴片型和孔径型，分别是由印刷在介质基底上的金属单元阵列或者镂空的缝隙形金属板组成。对于贴片型频率选择表面，处于谐振频率的电磁波被全反射（带阻性），对于孔径型频率选择表面，处于谐振频率的电磁波被全透射（带通性），因此可以利用频率选择表面的带阻或者带通性质，用于分光镜的设计，以实现对部分频率的电磁波全反射，部分频率的电磁波全透射，达到光束分离的目的。在实际工程应用中，FSS结构的周期只能是有限大的，并且经常需要与工作平台的结构共形，因此有限周期的曲面频率选择面的研究有着非常实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种双曲频率选择面分光镜，实现毫米波/红外频段的波束分离；其作为一种副反射面用于毫米波/红外复合的卡塞格伦天线，能够保证在毫米波段辐射特性良好的同时实现红外频段的被动接受，以实现两种模式的天线共用一个天线口径同时工作的目的。

本发明的技术方案是：一种双曲频率选择面分光镜，它包括：介质基底和布置在所述介质基底上表面的金属贴片，

介质基底选用透光性材料，介电常数3.78，形状为旋转双曲面，其双曲线方程为：

$\frac{x^2}{{4.26}^2}-\frac{y^2}{{8.55}^2}=1$

其中，其中x、y为双曲线上的点坐标，双曲面厚度均匀，口径大小为24mm；

金属贴片为十字形结构，它的排布方式为：以一个金属贴片为中心，过其中心点做两条相互交叉的45°虚线，将四个金属贴片分别布置在两条相互交叉的45°虚线上，且所述四个金属贴片的中心点连线构成正方形，再分别以所述四个金属贴片中的一个为中心，按此方式延续排列，组成金属贴片平面；

将所述金属贴片平面布置在与所述介质基底中心点的切面相平行的位置，向下投影，得到所述金属贴片在所述介质基底上的位置及形状。

本发明的有益效果是：（1）所选用的频率选择表面技术是实现两种工作模式共用一个口径的关键技术，不仅可以使天线在毫米波频段满足高增益的同时，并且可以有效地实现红外频段的被动接受；

（2）所设计的频率选择面为双曲率结构，结合了电讯设计及实际工艺特性考虑，解决了实际的工程应用问题；所选用的十字形金属贴片单元，由于自身结构的对称性，对两种不同的极化波入射（TE、TM）均不敏感；

（3）在毫米波w频段，所设计的双曲频率选择面，具有很好的反射特性，可以用该结构替代金属副反射面来组装卡式天线***；在毫米波w频段，采用卡塞格伦天线***，克服了传统微带天线高损耗的特点，提高了天线的辐射性能，从而增强了目标探测能力；

（4）在小型化精确探测领域具有重要的实用价值，克服了传统单一模式的探测精度，可以大幅度提高目标检测概率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明金属贴片投影方法示意图；

图4为本发明金属贴片排布方式示意图；

图5为本发明与卡塞格伦天线的整体组装结构图；

图6为本发明与卡塞格伦天线的光路图；

图7为本发明对不同角度入射的平面波反射系数的幅度和相位仿真结果；

图8为本发明中心频率处卡塞格伦天线的E面方向图仿真结果；

图9为本发明中心频率处卡塞格伦天线的H面方向图仿真结果；

图10为本发明中心频率处卡塞格伦天线的驻波比仿真结果。

其中，1-介质基底、2-金属贴片、3-主反射面、4-副反射面、5-角锥喇叭天线、6-介质杆、7-金属支撑杆、8-W频段的毫米波光路、9-红外频段光路。

具体实施方式

参见附图1、2，一种双曲频率选择面分光镜，它包括：介质基底1和布置在介质基底1上表面的金属贴片2，介质基底1选用透光性材料，从而可以透射红外频段，介电常数3.78，形状为旋转双曲面，其双曲线方程为：

$\frac{x^2}{{4.26}^2}-\frac{y^2}{{8.55}^2}=1$

其中，其中x、y为双曲线上的点坐标，双曲面厚度均匀，口径大小为24mm；

参见附图4，金属贴片2为十字形结构，由于该结构自身的对称性，对于两种极化形式的入射波波（TE、TM），相应相同，即具有相同的谐振频率，它的排布方式为：以一个金属贴片2为中心，过其中心点做两条相互交叉的45°虚线，将四个金属贴片2分别布置在两条相互交叉的45°虚线上，且所述四个金属贴片2的中心点连线构成正方形，再分别以所述四个金属贴片2中的一个为中心，按此方式延续排列，组成金属贴片平面；

参见附图3，将金属贴片平面布置在与介质基底1中心点的切面相平行的位置，沿oo’向下投影，得到金属贴片2在介质基底1上的位置及形状；

由于谐振频率的波长由单元长度决定，约为长度的两倍，因此在优选实施例中，将金属贴片2的长度l设定为1.05mm，宽度w设定为0.11mm，中心点连线为45°角的相邻金属贴片2的距离设定P为1.3mm，金属贴片2边缘处切角半径为0.05mm，。

参见附图5，将双曲频率选择面分光镜作为副反射面4固定安装在卡塞格伦天线的主反射面3上，组成双模复合天线；安装方式为：副反射面4的背部设有圆柱形介质杆6，3个金属支撑杆7一端固定连接圆柱形介质杆6，另一端固定连接卡塞格伦天线的主反射面3，将副反射面4安装与卡塞格伦天线的主反射面3上；

卡塞格伦天线的毫米波的中心频率为93GHz，红外频段的波长为1.06um，其主反射面3为金属结构的旋转抛物面，其抛物线方程为：

y'²＝162x'

其中x'、y'为抛物面上的点坐标，抛物面口径大小为135mm；

卡塞格伦天线的主反射面3的中心设有四个对称的长方形孔，安装角锥喇叭天线5；

组装完成后，双模复合天线在微波频段中心频率处天顶主极化增益为33.6dBi，在红外频段透过率为74.1%；所述复合天线在92-94GHz频带内驻波比小于1.47；附图6给出复合天线的光路图，8代表W频段的毫米波光路图，9代表红外频段光路图；

如附图7-10所示，平面十字形FSS对于不同角度入射的平面波（0-45°入射，步进5°），在92-93GHz频率范围内，反射系数的幅度变化范围为（-0.002，-0.08）dB，相位变化范围为（172.28,181.27）度。双模复合天线工作的中心频率为93GHz。由于所设计的频率选择表面为贴片单元，谐振时呈现全反射特性，因此在理论上可以与理想导体（Perfect ElectricConductor，PEC）等效。在中心频率93GHz处，对比了由本发明组成的卡塞格伦天线***与金属副反射面组成的卡式天线***，在天线的两个正交平面E面和H面内，辐射方向图基本一致，天顶主极化增益分别为33.6dBi、34.5dBi，相差0.9dBi，3dB波瓣宽度均为2.5度，交叉极化隔离也均在35dB左右。

所设计的双曲副反射面，由于所设计的单元尺寸相对于红外频段的波长而言是电大尺寸，因而用物理光学的近似方法来分析该结构对红外的散射而不会引起太大误差。在不考虑介质情况的影响下，该结构对红外的透过率决定于面上非金属的占有面积，透过率为74.1%。

Claims (4)

1.一种双曲频率选择面分光镜，它包括：介质基底（1）和布置在所述介质基底（1）上表面的金属贴片（2），其特征是：

介质基底（1）选用透光性材料，介电常数3.78，形状为旋转双曲面，其双曲线方程为：

$\frac{x^2}{{4.26}^2}-\frac{y^2}{{8.55}^2}=1$

其中，其中x、y为双曲线上的点坐标，双曲面厚度均匀，口径大小为24mm；

金属贴片（2）为十字形结构，它的排布方式为：以一个金属贴片（2）为中心，过其中心点做两条相互交叉的45°虚线，将四个金属贴片（2）分别布置在两条相互交叉的45°虚线上，且所述四个金属贴片（2）的中心点连线构成正方形，再分别以所述四个金属贴片（2）中的一个为中心，按此方式延续排列，组成金属贴片平面；

将所述金属贴片平面布置在与所述介质基底（1）中心点的切面相平行的位置，向下投影，得到所述金属贴片（2）在所述介质基底（1）上的位置及形状。

2.如权利要求1所述的一种双曲频率选择面分光镜，其特征是：所述金属贴片（2）的长度l为1.05mm，宽度w为0.11mm，中心点连线为45°角的相邻所述金属贴片（2）的距离P为1.3mm。

3.如权利要求1或2所述的一种双曲频率选择面分光镜，其特征是：它作为副反射面（4）固定安装在卡塞格伦天线的主反射面（3）上，组成双模复合天线；所述卡塞格伦天线的主反射面（3）为金属结构的旋转抛物面，其抛物线方程为：

y'²＝162x'

其中x'、y'为抛物面上的点坐标，抛物面口径大小为135mm；

所述卡塞格伦天线的主反射面（3）的中心设有四个对称的长方形孔，安装角锥喇叭天线（5）。

4.如权利要求3所述的一种双曲频率选择面分光镜，其特征是：所述副反射面（4）的背部设有圆柱形介质杆（6），3个金属支撑杆（7）一端固定连接所述圆柱形介质杆（6），另一端固定连接所述卡塞格伦天线的主反射面（3），将所述副反射面（4）安装与卡塞格伦天线的主反射面（3）上。

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