一种嵌入光纤光栅的锥面宽带透波天线罩
阅读说明：本技术 一种嵌入光纤光栅的锥面宽带透波天线罩 (Conical broadband wave-transparent radome embedded with fiber bragg grating ) 是由 周金柱 司宇 李建伟 康乐 问弄鼎 马镛基 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种嵌入光纤光栅的锥面宽带频选透波天线罩,用于解决现有天线罩系统的电性能易受环境影响恶化的问题。其包括由数层环氧玻璃布复合而成的圆锥面上层蒙皮(1)和下层蒙皮(2),两层锥面蒙皮之间设有芳纶纸蜂窝夹芯(3),在下层蒙皮(2)的环氧玻璃布之间设有介质基板(4),该介质基板(4)上刻蚀有由相同的数个金属贴片单元(5)排列而成的金属图案,每个金属贴片单元采用单谐振宽频带结构,上蒙皮或下蒙皮的环氧玻璃布之间嵌有光纤光栅传感器(6),使得天线罩能够感知变形位移,将变形位移信息传送到形变补偿系统进行矫正,能在恶劣环境下保证天线正常工作,防止电性能恶化,可用于具有宽带透波和形变监测能力的场景。(The invention provides a conical broadband frequency-selective wave-transparent radome embedded with fiber gratings, which is used for solving the problem that the electrical performance of the existing radome system is easily affected and deteriorated by the environment. It includes conical surface upper skin (1) and lower floor's skin (2) that form by several layers of epoxy glass cloth complex, be equipped with aramid paper honeycomb core (3) between the two-layer conical surface skin, be equipped with medium base plate (4) between the epoxy glass cloth of lower floor's skin (2), the sculpture has the metallic pattern who forms by arranging of the several metal paster unit (5) that is the same on this medium base plate (4), every metal paster unit adopts single resonance wide band structure, go up and inlay fiber grating sensor (6) between the epoxy glass cloth of skin or lower skin, make the antenna house can the perception warp displacement, it corrects to convey deformation displacement information to deformation compensating system, can guarantee antenna normal work under adverse circumstances, prevent the electrical property deterioration, can be used to have the scene of broadband wave transmission and deformation monitoring ability.)
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种锥面宽带透波天线罩，可用于具有宽带透波和形变监测能力的场景。
背景技术
频率选择表面FSS是一种由谐振单元周期排列组成的二维周期结构。频率选择表面根据单元的结构可分为贴片型和孔径型，贴片型频率选择表面多表现为带阻特性，孔径型频率选择表面多表现为带通特性。这些特性使得频率选择表面在空间滤波器、天线反射器等民用领域的应用十分广泛。
天线罩是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上能经受外部恶劣环境的作用。目前，结合频率选择表面的天线罩结构可以实现天线系统的隐身。在天线罩中加入带通FSS可以制成带内透波、带外全反射的选频透波天线罩，可以使天线系统在透波频带内外表现出不同的RCS特性。FSS天线罩在天线系统工作频带内有很好的透波性能，不影响天线正常工作；在频带之外，可以借助隐身外形设计，将带外雷达波反射到远离来波的方向，减小带外单站RCS。如授权公告号CN111987470A，名称为“宽带高角度稳定性频率选择表面”的中国专利公布了一种多层的宽带高角度稳定的频率选择表面，所述选择表面自上而下共有7层，依次为：第一面层、第二面层、第三面层、第四面层、第五面层、第六面层、第七面层，层与层之间通过胶膜粘接固定形成整体多层结构；其中，第一面层、第二面层、第四面层、第六面层、第七面层均为介质层，且第一、第七面层完全相同，第二、第六面层完全相同；所述第四面层为结构支撑层；所述第三、第五面层为基本金属微单元不同的金属周期面层。但是，该频选结构由于层数多，剖面高，无法弯曲变形，因而无法满足锥面共形的要求，所以需要一种适应锥面天线罩共形的频率选择表面结构，且具有宽频带透波性能，该结构的介质基板需要具有极低的剖面以满足共形的要求，频率选择表面的金属贴片单元需要具备宽带透波性能。
由于天线罩在受到恶劣环境的影响时，会发生整体或局部的变形，进而影响力学性能性能和电磁性能，比如过度的形变会导致塑性变形，对于某些受天线罩形变影响较大的天线，比如卡塞格伦天线，天线罩的形变会导致副反射面位置的变化，进而导致电磁性能的变化。因此，天线罩需要具有时刻监测天线罩形变量的功能。
综上，如何寻找一种可加工制造的锥面宽带频选透波天线罩，且要嵌入能反映形变信息的传感器是保证天线在恶劣环境下正常工作是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种嵌入光纤光栅的锥面共形的宽带透波天线罩，以保证天线在恶劣环境下的正常工作，避免天线的电性能恶化。
为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种嵌入光纤光栅的锥面宽带频选透波天线罩，包括由数层环氧玻璃布复合而成锥面上层蒙皮1和下层蒙皮2，两层蒙皮之间设有芳纶纸蜂窝夹芯3，在下层蒙皮2的环氧玻璃布之间设有介质基板4，介质基板4上刻蚀有由相同的金属贴片单元5排列而成的金属图案，其特征在于：
所述金属贴片单元5采用单谐振宽频带结构，其包括一个正方形金属环51，四个相同的切角金属贴片52和一个正方形金属贴片53，该正方形金属贴片53的中心与正方形金属环51的中心重合，其四条边分别与正方形金属环51的四条边界平行；该四个切角金属贴片52的中心分别位于正方形金属贴片53的对角线延伸线上，呈中心对称结构，且正方形缺口的两条边分别与正方形金属贴片53的两条边平行。
所述上蒙皮或下蒙皮的环氧玻璃布之间嵌有光纤光栅传感器6，以实现形变监测。
作为优选，所述光纤光栅传感器，采用伞骨架式方式布局，即从锥面顶点引出多条等长线段，在锥面上引出以过顶点的法线为轴的多个同轴圆线，光纤光栅传感器分布在这些线段和圆线上。
作为优选，所述介质基板4，采用0.05mm-0.1mm厚的聚酰亚胺介质板。
作为优选，所述圆锥面上层蒙皮1和下层蒙皮2的母线与底面夹角A为5°-40°，底面圆的半径R为100mm-800mm。
作为优选，所述窝夹芯3采用相对介电常数为1.05的正六边形芳纶纸蜂窝，其高度H为12mm-18mm，且通过胶膜粘接在上下蒙皮之间。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于采用超低剖面的介质基板和宽带单谐振金属单元结构，满足了频选天线罩锥面共形和宽带带通的要求；
2.本发明由于嵌入了光纤光栅传感器，使得天线罩能够感知变形位移，将变形位移信息传送到形变补偿系统，可实现变形矫正，从而在恶劣环境下能够保证天线-天线罩系统正常工作，防止电性能恶化。
附图说明
图1为本发明天线罩的整体结构示意图；
图2为本发明天线罩的截面示意图；
图3为图2中两层蒙皮之间的芳纶纸蜂窝夹芯结构图；
图4为图2中图案单元的排列方式示意图；
图5为图2中介质基板4的表面结构图；
图6为图5中表面图案单元的初始结构图；
图7为以图6为基础的适应锥面的单元结构改进图；
图8为图2中的光纤光栅传感器布局示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
参照图1、图2和图3，本实例的锥面频选天线罩，包括上蒙皮1、下蒙皮2、蜂窝夹芯3、介质基板4、金属单元5排列而成的图案和光纤光栅布局层6。其中上层蒙皮1和下层蒙皮2采用N层环氧玻璃布压制成圆锥面，其母线与底面夹角A为5°-40°，底面圆的半径R为100mm-800mm，蜂窝夹芯3通过胶膜粘接在上蒙皮1与下蒙皮2之间，蜂窝夹芯采用相对介电常数为1.05的正六边形芳纶纸蜂窝，其高度H为12mm-18mm，介质基板4胶接在下蒙皮2的环氧玻璃布层之间，采用相对介电常数为2.2的聚酰亚胺板材，其厚度S为0.05mm-0.15mm，本实例采用但不限于A＝23°，R＝600mm，H＝14.3mm，S＝0.127mm，N＝4，介质基板4胶接在下蒙皮2的第三层与第四层环氧玻璃布之间，金属图案刻蚀在介质基板4的表面上，光纤光栅传感器布局层6胶接在上蒙皮的第三层与第四层环氧玻璃布之间。
参考图4，介质基板4上的金属图案排列方式呈层状排列，每一层的图案形状为一段以顶点为圆心的圆弧，每个图案单元为金属贴片，且沿着圆弧线排列，层与层之间的每个图案单元紧密接触相连，其折成圆锥面后的局部表面图案如图5所示，
参考图5，所述金属图案由金属单元5在圆锥面上按照从上向下分层布局，每一层的图案形状为一个圆，金属单元5沿着圆线在锥面上共形排列，每个金属单元如图6所示。
参照图6，每个金属贴片单元5采用单谐振宽频带结构，其包括一个正方形金属环51，四个相同的切角金属贴片52和一个正方形金属贴片53，其中该正方形金属贴片53的中心与正方形金属环51的中心重合，其四条边分别与正方形金属环51的四条边界平行，该四个切角金属贴片52的中心分别位于正方形金属贴片53的对角线延伸线上，呈中心对称结构，且正方形缺口的两条边分别与正方形金属贴片53的两条边平行，形成一个方形环状缝隙d3，四个切角金属贴片52构成一个外侧轮廓为正方形的图案L2，相邻两个切角金属贴片52形成一条平行缝隙d2，每个金属单元的尺寸是根据工作带通频段确定。
本实例以带通频段12-18GHz为例，设但不限于正方形金属环51的边长L1为6.2mm，宽度d1为0.2mm，正方形金属贴片53的边长L3为2.44mm；方形环状缝隙d3的宽度为0.13mm，正方形轮廓图案L2的边长为5mm，相邻两个切角金属贴片52形成的平行缝隙d2宽度为0.2mm。为适应锥面布局，需要对金属贴片单元5的正方形金属环51进行微小变形调整，切角金属贴片52和正方形金属贴片53的形状不变，其变形调整后的单元如图7所示。
参照图7和图4，正方形金属环51的上下两条边分别用两条圆弧线来代替，在锥面布局中，两条圆弧线以圆锥面的顶点为圆心，其上圆弧半径R为单元位置距顶点的长度，其弧长和侧边长相等，下圆弧半径为R+L1，两条侧边的延伸线交汇于顶点。
参考图8，所述光纤光栅传感器6以圆锥面俯视图的形式呈现，其采用伞骨架式方式布局，即从锥面顶点引出多条等长线段，在锥面上引出以过顶点的法线为轴的多个同轴圆线，光纤光栅传感器分布在这些线段和圆线上。本实例给出但不限于从锥面顶点引出6条等长线段，在锥面上引出一个以顶点为圆心的圆线，该圆半径为500mm，每条线段上等间距分布5个光纤光栅传感器，传感器之间的距离为100mm，每条线段上距顶点最远的光纤光栅传感器分布在线段与圆线的交点上，该圆线上均匀分布18个光纤光栅传感器。
下面以一种卡塞格伦反射面天线-天线罩系统为例来说明本发明如何减小强风载荷对系统电性能的影响：
使用时，天线罩系统需要与外部的形变补偿系统和副反射面配合使用，即在天线罩的顶点处固定外部的形变补偿系统，并将形变补偿系统中的调节杆与外部的副反射面连接，天线罩内的传感器通过细电缆线与形变补偿系统相连以传输信息。当风载荷作用在天线罩上时，会使天线罩发生形变，从而副反射面会随之发生位移，从而使电性能恶化，这时光纤光栅传感器会测得天线罩的形变量，并且将形变量信息传送给外部的形变补偿系统，形变补偿系统会根据变形量来自动伸缩形变补偿系统的调节杆，以矫正副反射面的位置，从而使电性能恢复正常。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，此卡塞格伦反射面天线-天线罩系统只是本发明的应用场景之一，不构成对本发明的任何限并，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
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