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x波段极化可调天线罩设计

分类号:TN957.51U D C:D10621-408-(2013)0564-0 密级:公开编号:2009022069

成都信息工程学院

学位论文

X波段极化可调天线罩设计

论文作者姓名:杨健

申请学位专业:电子信息科学与技术

申请学位类别:工学学士

指导教师姓名(职称):杜国宏(副教授)

论文提交日期:2013年06月01日

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名:日期:2013年06月01日

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)

签名:

日期:2013年06月01日

X波段极化可调天线罩设计

摘要

雷达天线罩是盖在雷达天线上保护天线不受损害的防护罩,故雷达罩首先是结构材料,需要保护天线免受风、冰、雪、沙等自然环境的侵袭;其次雷达罩也是功能材料,对天线辐射的电磁波应该保持“透明”,不影响天线的性能。近年来,随着频率选择表面技术不再因为军事用途而被视为秘密研究,关于FSS在天线罩上的应用成为了一个热点。本文基于频率选择表面理论(FSS),设计出了可以调节入射电磁波极化方向的单元结构,再通过CST软件进行仿真优化,设计出了在X波段的极化可调天线罩。

关键词:频率选择表面(FSS),CST,天线罩

I

X-band Polarization Adjustable Radome Design

ABSTRACT

Radome is a shield to protect the antenna from damage. First, the radome is structural materials, it needs to protect the antenna from wind, ice, snow, sand and other natural environment invasion. Second, the radome is functional materials, it should be keep “transparent”to the electromagnetic waves radiated from the antenna, and does not affect the performance of the antenna. In recent years, with the frequency selective surface technology is no longer because of the military use is deemed secret research. About the applications of FSS on radome has been a hot spot.This paper is based on the theory of frequency selective surface (FSS),and design a cell structure can adjust the polarization direction of the incident electromagnetic wave,and then through the CST software to simulate and optimize, at last, design the radome can adjustable polarization of direction of the incident electromagnetic at X-band.

Key words:Frequency selective surface (FSS), CST, radome

II

目录

第一章引言 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2天线罩的研究现状 (2)

1.3本课题研究的意义 (4)

1.4本文的主要任务及结构 (4)

第二章频率选择表面理论 (6)

2.1频率选择表面介绍 (6)

2.2频率选择表面分类 (7)

2.3频率选择表面应用 (9)

第三章频率选择表面的结构仿真 (11)

3.1频率选择表面图形分类 (11)

3.2仿真软件介绍 (12)

3.3频率选择表面的仿真 (13)

第四章天线罩的设计 (16)

4.1天线罩的结构 (16)

4.2天线罩的材料 (17)

4.3天线罩的建模仿真 (19)

4.4实物测量 (23)

第五章结论 (28)

5.1全文总结 (28)

5.2前景展望 (29)

参考文献 (30)

III

致谢 (31)

IV

第一章引言

1.1研究背景

天线罩是雷达系统的重要组成部分,被称为雷达系统的“电磁窗口”。天线罩对改善雷达特别是雷达天线伺服系统的使用环境,工作频段的稳定性、可靠性,延长雷达系统使用寿命等有积极的作用。它是集电气性能、结构强度、刚度、气动外形和特殊功能要求于一体的功能结构件,其主要作用是改善飞行器的气动外形、保护天线系统免受外部环境的影响、延长整个系统的各部分寿命、保护天线表面和位置的精度。所以需要它在电气上具有良好的电磁辐射透过性能,在结构上能经受外部恶劣环境的作用。

天线通常置于露天工作,直接受到自然界中暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等的侵袭,致使天线精度降低、寿命缩短和工作可靠性差。所以提高雷达的性能相比,提高天线罩性能能取得事半功倍的效果。例如导弹天线罩既是制导武器弹

x波段极化可调天线罩设计

图1-1 弹载雷达天线罩

头结构的重要组成部分,又是保护天线系统不受高速飞行造成的恶劣气动环境影响,正常进行信号传输工作的屏障。它的性能直接影响了天线的工作能力和工作效率。图1-1给出了一种常见的弹载雷达天线罩[1]。

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另外,人们除了要求天线罩具有以上的这些基本的功能,还需要天线罩更加的智能化,多功能化。自从频率选择表面(FSS)技术不再因为军事用途而被视为秘密研究,该技术迅速在电磁学、微波、天线、雷达以及卫星通信等领域。在天线罩的设计中引入频率选择表面理论,可以实现天线罩的多功能化,智能化,这让天线罩的研究在最近成为了一个热点。本论文正是基于频率选择表面的理论,设计一种工作在X波段的计划可调的天线罩。

1.2天线罩的研究现状

近几十年来,对天线罩的研究主要分为两个方面,一是在天线罩的分析技术和方法的研究,二是对天线罩性能和功能方面的研究。

天线罩的分析技术的发展经历了以下几个阶段:

第一阶段,是在20世纪的四五十年代,由于天线罩内的电磁传播问题的计算十分的复杂,当时只能采用基于几何光学的一些较近似的方法,对天线罩的电气性能指标进行粗略的估算,当时通过研究,建立了电磁波经过多层介质平板多次反折射的数学模型,可以对单层介质平板的天线罩进行简单的分析。

第二阶段,也就是在随后的10年内,研究人员建立了求取电磁波穿过多层介质平板的等效传输线网络级联的模型,有了这个研究成果之后,大大简化了电磁波在多层介质平板上的传输和反射的分析和计算。

第三阶段,从六十年代中期开始,电磁场计算辅助数值计算技术给天线罩计算和分析提供了一条崭新的路径,射线追踪技术从二维发展到三维,从此,对天线罩的电气性能的而理论计算分析成为了可能。70年代之后提出了发射模式的等效子口径法、等效口径法、口径积分法、平面波谱方法,接受模式下感应积分方程法等方法。由于各种方法的固有特点,使其在不同的方面具有不同的特点,各有自己的优缺点。

第四阶段,1981年-1999年,天线罩的分析技术开始走向实用化,射线追踪技术,口径积分方法,平面波谱方法,接收模式下感应积分方程法已经能够满足常规天线罩的设计要求,复射线理论也被应用在天线罩的分析之中。对于正切卵形天线罩,几何绕射理论曾经被用来估计圆锥顶部的绕射场,但效果不是特别的明显。

第五阶段,1990年至今,伴随着计算电磁学的蓬勃发展,电磁计算快速分析、

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混合分析等技术开始被广泛应用于解决天线罩的问题。在已有射线追踪(RT),口径积分-表面积分(AI-SI),平面波谱-表面积分(PWS-SI)的基础上,为了更好的对天线罩进行分析,得到更加精确的结果,还需要借助距量法,有限元法等全波分析方法[2]。2001年,多层快速多极子的方法也被用于天线罩的分析。但是,当天线罩的尺寸远远的大于天线工作频率的波长的时候,采用有限元法和距量法对计算机的硬件配置需求极高,一般情况下,根本无法求解。在这样的情况下,2001年出现了将距量法和物理光学方法混合使用用于分析旋转对称体天线罩的PO-MOM的混合方法。该方法兼顾了高频方法和低频方法的优点,有一定的应用范围。

在天线罩电气性能方面,关于透波材料的研究,相关的论文资料已经很多了,这里不再赘述。近近几十年来,国内外的专家们还基于频率选择表面(FSS)理论,研究出了一系列智能型的天线罩,对天线罩的研究其实就是对FSS的研究。FSS 的研究开始于20世纪60年代,科学家们先后提出了不同的分析方法。60年代后期,美国Ohio州立大学的B.A.Munk和R.J.Luebbs等以模匹配法为基础,对这种各样的FSS结构进行了深入的分析,并在1974年研制出了第一个含有FSS结构的锥形金属天线罩实验模型。其设计的雷达罩是在金属罩表面刻出了一些周期性分布的谐振槽,所以只有天线罩的表面为金属。天线罩的工作频带是在8.8GHz-9.0GHz之间,在这个频带内,传输特性接近于理想特性,并可以在其内部装有能发射任意极化信号的扫描天线。在设计的频带外,其传输响应下降,这样可以减少带外信号的干扰。他们的研究从一开始就受NT美国Wright. Patterson空军基地航空电子实验室的大力资助。

80年代末,美国Illinois大学的R.Mittra教授等建立了系统的谱域分析模型,对多层级联的、有限周期的FSS进行了有效深入的分析,发表的公开文献多达10多篇。此外,英国Kent大学的 E.A.Parker,英国Loughbrough理工大学的J.C.Vardaxoglou等针对不同形式、不同结构的周期单元,从等效电路的角度给出了很多具有工程应用价值的结果,同时还分析了构成FSS的各变量对频率的影响。他们的研究也受到了英国科学与工程委员会和Marconi防卫系统有限公司的长期资助。再后来,许多学者用新的算法对FSS进行分析和优化设计。总之,FSS分析方法总体可分为两大类,一类是近似方法,包括变分方法和等效电路方法。第二类是严格的全波技术,它是随着计算机技术和科学计算方法的发展而形成的,能有效、精确地分析求解许多复杂单元形式的贴片型FSS的磁场积分方程(MFIE)和孔径型FSS的电场积分方程(EFIE)的技术。针对不同的具体问题,又可以形成

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不同的分析求解方法。如建立于模匹配法、平面波展开法基础上的Galerkin法;谱域方法、谱域法和抽样定理的混合方法;迭代法、迭代法和共轭梯度的混合方法;谱域Galerkin方法;离散傅利叶变换(DFT)方法;时域有限差分法(FDTD);有限元法(FEM)等等。

1.3本课题研究的意义

本课题的理论基础主要是频率选择表面理论,也就是FSS。FSS目前已经在电磁领域有很多的应用。在微波领域,FSS的频率选择特性反射特性在反射面的天线中得到了较好的利用,实现了频率的复用;另一个重要应用是在天线罩的设计中,可以通过缩减雷达的散射截面(RCS)达到隐身的目的。在远红外领域,FSS可以用作极化器或者分束器,在激光设计中,它可以用作分子激光器的腔体镜,以提高泵浦的效率。在远红外和可见光区域,频率选择表面还可以被设计成太阳能吸收表面,以用来吸收太阳能。

在频谱方面,雷达主要使用的是微波部分,一般的常规雷达的工作频率主要集中在230MHz到40GHz之间,但这远不是极限,目前的雷达很多已经超出了这个范围,工作在毫米波段的雷达,频率可以高达94GHz,某些激光雷达的工作频率比这个还要高。低频信号已经不适合短瞬间里传送大量的数据,而且有些波段主要提供给军事或一些特定的服务使用。所以目前在通信和电视卫星之间一般使用10GHz到13GHz的波段进行信号的传输[3]。目前这一波段的天线雷达很多,由于这些雷达天线的工作环境很恶劣,暴露在自然环境下的天线寿命会很短,所以本论文选取X波段的天线罩作为研究课题,对保证天线雷达的稳定工作具有重要的意义。

1.4本文的主要任务及结构

本论文所完成的任务是基于频率选择表面理论,对X波段极化可调的天线罩的设计方法进行研究,先对基本单元结构进行了建模,并在此基础上设计出了一个可以调整入射电磁波极化方向的频率选择表面结构,运用CST软件进行仿真与优化,得到最优结果,本论文在总体结构上共分为5章。

第1章引言,本章介绍了设计雷达罩的意义、背景和雷达罩的研究现状。

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第2章介绍频率选择表面理论知识,频率选择表面的分类和应用。

第3章介绍了频率选择表面的单元图形的分类,基于频率选择表面理论,通过CST软件,设计出了FSS单元仿真结构模型,并对模型进行了优化。

第4章详细介绍了天线罩的材料和结构,并确定了本次设计的天线罩的结构和材料,最后利用CST软件,构建了天线罩的模型。

第5章对全文进行总结,并对该课题的前景进行了展望。

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第二章频率选择表面理论

2.1频率选择表面介绍

频率选择表面的概念应该是在1960年前后,最早的频率选择表面的思想来源于光栅,是由美国的物理学家David Rittenhouse通过观察用发丝制成的等间距栅对日光的衍射现象而发现的,第一个频率选择表面的专利是1910年前后由美国人Franklin提出的(这个Franklin不是放风筝的Franklin)[4]。频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构,由周期性排列的金属贴片单

图2-1 一些典型的频率选择结构

元或在金属屏上周期性排列的开槽单元构成。图2-1展示了一些典型的频率选择表面结构[5]。这种表面可以在单元谐振频率附近呈现全反射(贴片型)或全传输特性(开槽型)。近几十年来,二维平面周期结构因其具有空间滤波特性而得到越来越多的关注和研究。

频率选择表面的分析可以等效为电路模型来进行分析,这是一种近似的分析方法,可用于分析具有平行直线单元的结构,比如栅格形单元,十字形单元,矩形单元等。等效电路分析法最大的优点是算法简单,省时,可以在个人电脑上进行分析。例如,无限长的长棒阵列和2l长度的有限长度的阵列,如图2-3所示。它们之间有相同的间距Dx,它们的等效电路分析就如图右侧所示。

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图2-3 长棒和短棒的等效电路图 图2-4 频率选择表面的原理 频率选择表面就其本质而言,就是一个空间上的滤波器。频率选择表面也可以实现低通、高通或者带通的性能,当然这些都取决于FSS 单元及阵列的特点[6]。这与低频段的通过电容,电感组合在一起的滤波器在目的上是一致的。但是,空间滤波器在滤波的机理上与低频段的滤波器有很大的不同。最大的不同在于,低频滤波器的作用对象是电路中的电流,我们主要关心的是系统的波形是不是有畸变。而频率选择表面是场的滤波器,不论是透射波还是反射波都十分重要,不仅仅要关心幅度、相位的变化,还要关心交叉极化和热损耗等等。频率选择表面的滤波原理如图2-4所示[7]。

2.2 频率选择表面分类

频率选择表面有两种:贴片型和开槽型。

贴片型也叫介质类型,就是在介质表面周期性的贴上同样的金属单元。如图2-5所示。其滤波机理是这样,假设电磁波入射的方向是从左到右,在平行于贴片方向的电场对电子产生的作用力使其发生振荡,从而在金属表面上形成感应电流。这个时候,入射电磁波的一部分能量转换为维持电子振荡状态所需要的动能,而另外一部分能量会继续穿过金属贴片传播。根据能量守恒定理,维持电子运动的能量就被电子吸收了。在某一特定频率下,所有的入射电磁波能量都有可能转移到电子的振荡上,那么,电子产生的附加散射场可以抵消金属导线右侧的电磁波的出射场,这种情况下,会出现投射系数为零的情况。

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这种现象称之为谐振现象,

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这个特定的频率点就称之为谐振点,在这个时候,贴片型的频率选择表面就呈反射特性。

图2-5 贴片型结构 图2-6 开槽型结构

除了上面的情况,当入射的电磁波不是谐振频率的时候,只有很少的能量用于维持电子做振荡,大部分的电磁能量都透过金属贴片传播到了右侧。这种情况下,金属贴片对于入射的电磁波而言,是几乎“透明”的,电磁波几乎可以全部穿过频率选择表面进行传播,这个时候,频率选择表面呈投射特性。

开槽型又叫波导类型,是指在金属板上周期性的开一些金属单元的孔槽,如图2-6所示。其滤波机理可以这样解释,当电磁波入射到这种结构的频率选择表面时,将会激发大范围的电子移动,使得电磁波的能量绝大部分被电子吸收。随着入射电磁波的频率不断的升高,电子的移动范围将会慢慢缩小,沿缝隙流动的电流在不断的增加,从而透射系数会得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值的时候,槽孔两侧的电子刚好在入射电磁波电场矢量的驱动下来回移动,在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收掉了大量的入射电磁波能量,同时也在向

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外辐射能量。当入射的电磁波能量继续升高时,将导致电子的运动范围进一步缩

小,在缝隙周围的电流将会分为若干段,电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小,因此,透射系数会降低。所以,当高频电磁波入射时,透射系数减小,反射系数增大。

通过以上的分析,我们可以得知,在不考虑介质的情况下,贴片型和开槽型的频率选择表面是互补的关系,它们具有相反的频率响应特性。在低于谐振频率的时候,开槽类型呈现出感性电路特性。高于谐振频率是呈现容性电路的特性。从等效电路模型的分析方法来看,开槽型的频率选择表面可以表述为电容电感并联的等效电路,贴片型的频率选择表面可以表述为电容电感串联的等效电路。在入射电磁波频率为谐振频率时,开槽型频率选择表面对电磁波是透明的,而贴片型的频率选择表面的性能刚好与之相反。

2.3频率选择表面应用

一提到频率选择表面,FSS在带通雷达罩上的应用,以使得天线工作带外的雷达散射截面(RCS)得到缩减[8]。图2-7展示了一种典型的情况,其中飞机的前端的雷达天线已被具有图所示的带通滤波特性的一定形状的雷达罩罩住。当雷达罩不透明时,雷达罩在入射场的照射下,大部分信号会由于雷达罩的形状沿双站方向反射,从而在背向仅产生非常微弱的信号,也就是说,它具有很低的RCS,从而达到了飞机隐形的目的。

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图2-7 飞机前端的雷达罩示意图

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除了在军事领域,在商业领域都有FSS理论的应用,比如微波炉上的开孔金属屏,经过设计之后,可以完全反射2.45GHz的微波能量,但光波可以透过。FSS 还广泛的应用于很多方面,比如卡塞哥伦天线副反射面引入频率选择表面可以实现波束的复用与分离;准光滤波器也实现了波束的复用与分离;根据频率选择表面原理研制出的吸波材料基于高损耗的介质,可以实现大带宽的吸波材料;极化扭转,是应用了折线形单元结构的频率选择表面,可以实现线极化变成圆极化的转换;天线主面,应用频率选择表面可以降低带外的噪声[9]。

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第三章 频率选择表面的结构仿真

3.1 频率选择表面图形分类

频率选择表面的特性和FSS 单元的形状和尺寸以及排列方式密切相关。比较常见的单元机构可以分为环形单元、中心连接形单元、板形单元和组合形单元四种类型。环形单元常见的有Y 环形,四腿加载形,圆环形,正方形环,六边形环等;中心连接形单元常见的有偶极子形,无载三极子形,锚形,十字形,耶路撒冷十字形等;板形单元常见的有圆形板,方形板,六边形板等;组合形单元的形状比较复杂,没有固定的规律。下面简单的介绍一下。

1) 中心连接型或者N 极型,如图3-1所示。

这是比较基本的一种FSS 单元结构,很多复杂的单元结构是在这种单元结构上进行变化得出来的。

2) 环形单元结构,如图3-2所示。

环形的单元结构是由偶极子慢慢的演化而来的。偶极子的单元长度为λ/2时,将会谐振并有效的辐射出电磁波。但在图中所示的环形结构中,单元间距为λ/3,谐振的频率会随着入射角的变化而变化。

3) 实心型或者平面型结构,如图3-3所示。

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图3-1 中心连接型或N 极型结构

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图 3-2 环型结构

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图 3-3 实心型或平面型结构

这种结构是最简单的FSS单元结构,是最早被研究的单元结构,但由于它们并非很有效的谐振器,而且这些单元在发生谐振的时候,往往会附带有栅瓣。所以一般不推荐使用这种结构。

4)组合型单元结构,如图3-4所示。

图 3-4 组合型结构

对上面所介绍的三种单元结构进行变化、组合、变形,就可以得到组合型的单元结构,这样的结构很复杂,需要进行精心的设计,才会达到预期的效果。

随着FSS的研究深入和新的应用要求不断出现,必将出现新的单元设计结构。

3.2仿真软件介绍

目前,最为常见的商业计算软件有ANSOFT公司的HFSS仿真软件,以及CST MICROWAVE STUDIO计算仿真工作室的仿真软件等。其中,HFSS软件主要基于有限元方法进行数值计算,而CST软件主要基于时域有限积分法(FDTD)。由于基本算法不同,两种软件在进行数值计算时进行结构网格剖分方式不同,HFSS剖分的是四面体网格,而CST剖分的是矩形网格。除此之外,基于矩量法的Ensemble 和IE3D,基于有限差分法的Empire等也是常用的适用于微波结构的数值计算商业软件。

因为本论文的仿真对象是电大尺寸的天线罩,用CST显得更为方便,所以只介绍一下CST软件。CST工作室套装是面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件包,包含七个工作室子软件,集成

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在同一平台上。它可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。软件覆盖整个电磁频段,提供完备的时域和频域全波算法。典型应用包含各类天线/RCS 、EMC/EMI 、场路协同、电磁温度协同和高低频协同仿真等等。

3.3 频率选择表面的仿真

本次课题研究采用的是开槽型的FSS 单元结构,对单元结构的尺寸计算之后,利用CST 软件画出了单元结构,单元结构的CST 建模仿真图如图3-5所示。

图3-5 单元结构正视图 图3–6 单元结构俯视图

其中图3-5为单元结构的正视图,图3-6为单元结构的侧视图。图中a=7.861mm ,b=5.3mm ,c=0.2mm ,e=1.4268mm ,d=0.508mm ,采用的介质材料为Rogers 4003(εr=3.55,tan δ=0.0027),介质厚度d=0.508mm ,介质表面的铜层厚度为0.018mm ,表面过孔均做了金属化处理。

在我们进行仿真之前先注明一下,本课题之后的研究中会提到两种模式的电磁波,模式1的电场如图3-7(a)图所示,电场方向为y 方向,电磁波沿+Z 方向传播。模式2的电场如图3-7(b)图所示,电场方向为x 方向,电磁波同样也沿+Z 方向传播。本课题研究中所涉及的2种模式的波均指以上两种,后面不再一一说明。

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