本发明涉及微波频选天线罩的技术领域，特别是一种曲面共形频率选择表面天线罩。
背景技术：
在电子战时代，保护天线设备免受恶劣自然环境、复杂电磁环境的干扰和破坏十分重要，因此设计改善天线系统稳定性和灵敏度，延长工作寿命的微波/毫米波无源器件具有长远的意义。频选天线罩(e.peltonandb.munk,"astreamlinedmetallicradome,"inieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.22,no.6,pp.799-803,november1974,doi:10.1109/tap.1974.1140896.)作为一种空间滤波器在近代军事领域发挥关键作用，可用于改善系统的带内透过性和带外抑制性，正向着更高频段、一体化的方向发展。传统的频选天线罩多工作于x/k/ku等较低频段，尺寸较大，且频选多以平面组阵(g.q.luoetal.,"filtennaconsistingofhornantennaandsubstrateintegratedwaveguidecavityfss,"inieeetransactionsonantennasandpropagation,vol.55,no.1,pp.92-98,jan.2007,doi:10.1109/tap.2006.888459.)的形式出现，不能满足当代国防、航空航天领域对天线罩小型化和集成化的要求，因而设计出工作于毫米波且实现曲面共形的频选天线罩显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种圆锥型曲面共形频选天线罩，该频选天线罩可以在不影响罩内馈源天线辐射性能的同时，减少外界复杂电磁环境对天线罩系统的影响。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种曲面共形频率选择表面天线罩，包括介质天线罩及其外壁设置的曲面共形频选阵列；
所述介质天线罩包括从上至下一体成型的罩顶、圆台、中空圆柱；罩顶的内外两侧作球形处理，其中内侧为半球状，外侧为半球形切去球顶保留两侧圆弧部分和平顶部分；圆台采用从顶部至底部半径递增的去顶圆锥筒结构，圆台的内壁至外壁的厚度均相等；中空圆柱内壁半径与圆台底部内壁半径相等，外侧半径与圆台底部外壁半径相等；
所述曲面共形频选阵列由折叠型频选单元在介质天线罩外表面按照周期排布的原则组阵形成；其中折叠型频选单元为轴对称和中心对称的缝隙结构，整体形状由左侧折叠缝隙、上侧折叠缝隙、右侧折叠缝隙、下侧折叠缝隙组成，四条折叠缝隙完全相同且呈正方形依次连接，折叠型频选单元除去四条折叠缝隙，剩余部分均为金属贴片。
进一步地，所述折叠型频选单元中，对于左侧折叠缝隙，具体折叠方式为：由竖直方向的第一边向右弯折至第二边，再向下弯折至第三边，向左弯折至第四边，向下弯折至第五边，再向右弯折至第六边，向下弯折至第七边，再向左弯折至第八边，最后向下弯折至第九边；其中第一边与第九边尺寸相同，数值满足0.1925mm的k倍；第二边与第四边、第六边、第八边尺寸相同，数值满足0.131mm的k倍；第三边与第五边、第七边尺寸相同，数值满足0.077mm的k倍，k取正整数；所述上侧折叠缝隙、右侧折叠缝隙、下侧折叠缝隙的折叠方式及结构尺寸与左侧折叠缝隙相同，四条折叠缝隙满足轴对称和中心对称的结构关系。
进一步地，根据圆台高度和中空圆柱半径计算出介质天线罩母线的倾斜角度和母线长度，再结合折叠型频选单元的边长计算出介质天线罩外表面放置的折叠型频选单元层数。
进一步地，对于每层折叠型频选单元，计算出折叠型频选单元中心位置所处介质天线罩外表面圆的半径，从而得到该层折叠型频选单元所处介质天线罩外表面圆的周长，再次结合折叠型频选单元的边长计算出该层放置折叠型频选单元的数量；对于圆周长除以折叠型频选单元边长不能整除的情况，采用向下取整的方式，将折叠型频选单元等间隔角度的排布于该层。
进一步地，不同层折叠型频选单元的间距也各不相同，各参数满足以下关系：
rfi＝rfi-1 le×cos(θ)
式中ls是母线上可以排列的单元层数，floor()为取整函数，l是母线长度，le是折叠型频选单元边长，rf1是自上向下第一层折叠型频选单元所处介质天线罩外表面半径，r13为介质天线罩的中空圆柱内侧半径，h为介质天线罩的圆台部分高度，θ为母线延长线与中空圆柱底平面的夹角；rfi是第i层折叠型频选单元所处介质天线罩的外表面半径，rfi-1是第i-1层折叠型频选单元所处介质天线罩外表面半径，numi是第i层折叠型频选单元沿介质天线罩外表面排列的数量。
进一步地，曲面共形频选阵列共有10层，其中从上至下分别为第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层、第八层、第九层、第十层；其中第一层放置7个单元，相邻单元间隔圆心角为51.42°，第二层放置9个单元，相邻单元间隔圆心角为40°，第三层放置10个单元，相邻单元间隔圆心角为36°，第四层放置12个单元，相邻单元间隔圆心角为30°，第五层放置14个单元，相邻单元间隔圆心角为25.71°，第六层放置16个单元，相邻单元间隔圆心角为22.5°，第七层放置18个单元，相邻单元间隔圆心角为20°，第八层放置20个单元，相邻单元间隔圆心角为18°，第九层放置21个单元，相邻单元间隔圆心角为17.14°，第十层放置23个单元，相邻单元间隔圆心角为15.65°。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)毫米波带通型频选天线罩可以在不影响罩内馈源天线s参数和辐射性能的前提下，减少外界复杂电磁环境对天线罩系统的干扰；(2)面对雨雪风霜等恶劣的自然环境，频选天线罩可以起到物理防护的作用，延长系统的使用寿命；(3)该款频选天线罩可以通过修改表面共形的频选单元尺寸来实现其他频段的带通滤波，有较强的推广性和应用性。
附图说明
图1是本发明曲面共形频率选择表面天线罩的结构图，其中(a)是剖面图，(b)是俯视图。
图2是本发明中折叠型频选单元的结构图，其中(a)是主视图，(b)是缝隙结构示意图。
图3是本发明曲面共形频选阵列示意图。
图4是加载频选天线罩前后s11参数对比图。
图5是加载频选天线罩前后辐射性能对比图，其中(a)是e面方向图，(b)是h面方向图。
具体实施方式
本发明提出一种工作于毫米波的曲面共形频选天线罩，模型整体由介质天线罩和曲面共形频选(frequencyselectsurface,fss)阵列组成。其中，介质天线罩主体为圆锥，罩体顶部作平滑处理，内侧为半球状，外侧作半球状处理后切掉球状顶部，保留两侧圆弧部分；罩体底部为有一定厚度的中空圆柱，其厚度与圆台壁厚保持一致，最终将顶部、锥体、底部连接形成完整的介质天线罩。另外，曲面共形频选阵列是由一款折叠型带通频率选择表面单元在圆台外表面组阵形成的，首先计算出天线罩母线上能够排列的单元数量，进而确定需要共形的单元层数，并沿母线方向复制频选单元；对于每层频选单元，计算其中心位置所在的圆台外侧半径和周长，推算出该层可以放置的单元个数，以z轴为中心将频选单元旋转复制；最后，将排列好的频选单元通过投影操作共形至天线罩外表面，形成曲面共形频选阵列。
结合图1(a)～(b)，本发明曲面共形频率选择表面天线罩，包括介质天线罩1及其外壁设置的曲面共形频选阵列2；
所述介质天线罩1包括从上至下一体成型的罩顶11、圆台12、中空圆柱13；罩顶11的内外两侧作球形处理，其中内侧为半球状111，外侧为半球形切去球顶保留两侧圆弧部分112和平顶部分113；圆台12采用从顶部至底部半径递增的去顶圆锥筒结构，圆台12的内壁122至外壁121的厚度均相等；中空圆柱13内壁半径与圆台12底部内壁半径相等，外侧半径与圆台12底部外壁半径相等；
所述曲面共形频选阵列2由折叠型频选单元21在介质天线罩1外表面按照周期排布的原则组阵形成；其中折叠型频选单元21为轴对称和中心对称的缝隙结构，整体形状由左侧折叠缝隙211、上侧折叠缝隙213、右侧折叠缝隙212、下侧折叠缝隙214组成，四条折叠缝隙完全相同且呈正方形依次连接，折叠型频选单元21除去四条折叠缝隙，剩余部分均为金属贴片215。
结合图2(a)～(b)，所述折叠型频选单元21中，对于左侧折叠缝隙211，具体折叠方式为：由竖直方向的第一边2111向右弯折至第二边2112，再向下弯折至第三边2113，向左弯折至第四边2114，向下弯折至第五边2115，再向右弯折至第六边2116，向下弯折至第七边2117，再向左弯折至第八边2118，最后向下弯折至第九边2119；其中第一边2111与第九边2119尺寸相同，数值满足0.1925mm的k倍；第二边2112与第四边2114、第六边2116、第八边2118尺寸相同，数值满足0.131mm的k倍；第三边2113与第五边2115、第七边2117尺寸相同，数值满足0.077mm的k倍，k取正整数；所述上侧折叠缝隙213、右侧折叠缝隙212、下侧折叠缝隙214的折叠方式及结构尺寸与左侧折叠缝隙211相同，四条折叠缝隙满足轴对称和中心对称的结构关系。
进一步地，根据圆台12高度和中空圆柱13半径计算出介质天线罩1母线的倾斜角度和母线长度，再结合折叠型频选单元21的边长计算出介质天线罩1外表面放置的折叠型频选单元21层数。
进一步地，对于每层折叠型频选单元21，计算出折叠型频选单元21中心位置所处介质天线罩1外表面圆的半径，从而得到该层折叠型频选单元21所处介质天线罩1外表面圆的周长，再次结合折叠型频选单元21的边长计算出该层放置折叠型频选单元21的数量；对于圆周长除以折叠型频选单元21边长不能整除的情况，采用向下取整的方式，将折叠型频选单元21等间隔角度的排布于该层。
进一步地，不同层折叠型频选单元21的间距也各不相同，各参数满足以下关系：
rfi＝rfi-1 le×cos(θ)
式中ls是母线上可以排列的单元层数，floor()为取整函数，l是母线长度，le是折叠型频选单元21边长，rf1是自上向下第一层折叠型频选单元21所处介质天线罩1外表面半径，r13为介质天线罩1的中空圆柱13内侧半径，h为介质天线罩1的圆台部分12高度，θ为母线延长线与中空圆柱13底平面的夹角；rfi是第i层折叠型频选单元21所处介质天线罩1的外表面半径，rfi-1是第i-1层折叠型频选单元21所处介质天线罩1外表面半径，numi是第i层折叠型频选单元21沿介质天线罩1外表面排列的数量。
结合图3，曲面共形频选阵列2共有10层，其中从上至下分别为第一层201、第二层202、第三层203、第四层204、第五层205、第六层206、第七层207、第八层208、第九层209、第十层210；其中第一层201放置7个单元，相邻单元间隔圆心角为51.42°，第二层202放置9个单元，相邻单元间隔圆心角为40°，第三层203放置10个单元，相邻单元间隔圆心角为36°，第四层204放置12个单元，相邻单元间隔圆心角为30°，第五层205放置14个单元，相邻单元间隔圆心角为25.71°，第六层206放置16个单元，相邻单元间隔圆心角为22.5°，第七层207放置18个单元，相邻单元间隔圆心角为20°，第八层208放置20个单元，相邻单元间隔圆心角为18°，第九层209放置21个单元，相邻单元间隔圆心角为17.14°，第十层210放置23个单元，相邻单元间隔圆心角为15.65°。
本发明曲面共形频选天线罩，具有保护馈源天线免受外界恶劣自然环境和电磁环境干扰的优点，能够实现良好的带内通过性和带外抑制性。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
本发明圆锥型曲面共形频选天线罩相较于传统介质天线罩拥有良好的滤波特性，且工作频带灵活可调。为了更好的减少外界电磁环境对馈源天线的干扰，在天线罩外表面共形折叠型频率选择表面，不仅不影响罩内馈源天线辐射性能，也改善了天线罩系统的带内通过性和带外抑制性。
结合图1(a)～(b)，本发明圆锥型曲面共形频选天线罩，包括由内至外设置的介质天线罩、曲面共形频选阵列；
所述介质天线罩的上部为作平滑处理的罩顶，中部为有一定壁厚的圆台形状，下部为与中部相同壁厚的中空圆柱。罩顶的内外两侧作球形处理，其中内侧为半球状，外侧为半球形切去球顶保留两侧圆弧部分和平顶部分。圆台是由高度相同半径不同的外部圆台减去内部圆台得到的，圆台顶部与底部半径不同，且底部半径大于顶部半径，圆台整体厚度上下保持一致。中空圆柱内侧半径与圆台底部内侧半径相等，外侧半径与圆台外侧半径相等。
结合图2(a)～(b)，所述曲面共形频选阵列由折叠型频选单元在介质天线罩外表面按照周期排布的原则组阵形成。其中折叠型频选单元为轴对称和中心对称的缝隙结构，整体形状由左侧折叠缝隙、右侧折叠缝隙、上侧折叠缝隙、下侧折叠缝隙组成，四条折叠缝隙的宽度、长度保持一致，折叠型频选单元除去四条金属缝隙部分，剩余部分均为金属贴片。将折叠型频选单元按照周期排布的原则在介质天线罩外表面组阵，根据天线罩母线的倾斜角度与折叠型频选单元的边长计算出母线长度上能够排列的单元个数，即介质罩上可以放置的单元层数。对于每层频选单元，计算出其所处天线罩外表面圆的周长，根据折叠型频选单元的边长计算出该层可以放置的频选单元数量，特别的，对于圆周长除以折叠型频选单边长不能整除的情况，对单元数量采用向下取整的方式，将频选单元等间隔角度的排布于该层，需要注意的是，不同层频选单元的间距也各不相同，可通过下式解释：
rfi＝rfi-1 le×cos(θ)
式中ls是母线上可以排列的单元层数，floor()为取整函数，l是母线长度，le是折叠型频选单元边长，rf1是自上向下第一层频选单元所处天线罩外表面半径，r13为介质天线罩中空圆柱内侧半径，h为介质天线罩圆台部分高度，θ为母线延长线与中空圆柱底平面的夹角。rfi是第i层频选单元所处天线罩外表面半径，rfi-1是第i-1层频选单元所处天线罩外表面半径，numi是第i层频选单元沿介质天线罩外表面排列的数量。
结合图3，曲面共形频选阵列共有10层，其中从上至下分别为第一层，第二层，第三层，第四层，第五层，第六层，第七层，第八层，第九层，第十层。其中第一层放置7个单元，相邻单元间隔圆心角为51.42°，第二层放置9个单元，相邻单元间隔圆心角为40°，第三层放置10个单元，相邻单元间隔圆心角为36°，第四层放置12个单元，相邻单元间隔圆心角为30°，第五层放置14个单元，相邻单元间隔圆心角为25.71°，第六层放置16个单元，相邻单元间隔圆心角为22.5°，第七层放置18个单元，相邻单元间隔圆心角为20°，第八层放置20个单元，相邻单元间隔圆心角为18°，第九层放置21个单元，相邻单元间隔圆心角为17.14°，第十层放置23个单元，相邻单元间隔圆心角为15.65°。
本发明圆锥型曲面共形频选天线罩的参数设计过程如下：
(一)介质天线罩圆台部分12的厚度范围为0.32mm、高度范围为6.41mm、介电常数范围为1.08，圆台顶部内侧半径范围为0.625mm，底部内侧半径范围为2.58mm。
(二)介质天线罩底部中空圆柱部分13的厚度范围为0.32mm、高度范围为0.565mm、圆柱内侧半径范围为2.58mm、介电常数范围为1.08。
(三)折叠型频选单元21的周期尺寸范围为0.52mm，缝隙宽度范围为0.026mm。
(四)四单元微带贴片天线介质基板长度范围为6.37mm，宽度范围为5.57mm，厚度范围为0.171mm，介电常数范围为2.2，接地板长度范围为6.37mm，宽度范围为5.57mm。
(五)矩形贴片长度范围为0.935mm，宽度范围为0.535mm。
将四单元微带贴片天线放置于曲面共形频选天线罩下方轴心位置，对天线罩系统进行全波仿真，图4给出加载曲面共形频选天线罩前后s11参数的对比图，图5(a)～(b)给出了加载曲面共形频选天线罩前后的e面和h面方向图，发现加载曲面共形频选天线罩对馈源天线的s参数和辐射特性并未产生较大影响，还可以提升带外抑制性，减少外界自然环境和电磁环境对馈源天线的影响。
1.一种曲面共形频率选择表面天线罩，其特征在于，包括介质天线罩(1)及其外壁设置的曲面共形频选阵列(2)；
所述介质天线罩(1)包括从上至下一体成型的罩顶(11)、圆台(12)、中空圆柱(13)；罩顶(11)的内外两侧作球形处理，其中内侧为半球状(111)，外侧为半球形切去球顶保留两侧圆弧部分(112)和平顶部分(113)；圆台(12)采用从顶部至底部半径递增的去顶圆锥筒结构，圆台(12)的内壁(122)至外壁(121)的厚度均相等；中空圆柱(13)内壁半径与圆台(12)底部内壁半径相等，外侧半径与圆台(12)底部外壁半径相等；
所述曲面共形频选阵列(2)由折叠型频选单元(21)在介质天线罩(1)外表面按照周期排布的原则组阵形成；其中折叠型频选单元(21)为轴对称和中心对称的缝隙结构，整体形状由左侧折叠缝隙(211)、上侧折叠缝隙(213)、右侧折叠缝隙(212)、下侧折叠缝隙(214)组成，四条折叠缝隙完全相同且呈正方形依次连接，折叠型频选单元(21)除去四条折叠缝隙，剩余部分均为金属贴片(215)。
2.根据权利要求1所述曲面共形频率选择表面天线罩，其特征在于，所述折叠型频选单元(21)中，对于左侧折叠缝隙(211)，具体折叠方式为：由竖直方向的第一边(2111)向右弯折至第二边(2112)，再向下弯折至第三边(2113)，向左弯折至第四边(2114)，向下弯折至第五边(2115)，再向右弯折至第六边(2116)，向下弯折至第七边(2117)，再向左弯折至第八边(2118)，最后向下弯折至第九边(2119)；其中第一边(2111)与第九边(2119)尺寸相同，数值满足0.1925mm的k倍；第二边(2112)与第四边(2114)、第六边(2116)、第八边(2118)尺寸相同，数值满足0.131mm的k倍；第三边(2113)与第五边(2115)、第七边(2117)尺寸相同，数值满足0.077mm的k倍，k取正整数；所述上侧折叠缝隙(213)、右侧折叠缝隙(212)、下侧折叠缝隙(214)的折叠方式及结构尺寸与左侧折叠缝隙(211)相同，四条折叠缝隙满足轴对称和中心对称的结构关系。
3.根据权利要求1或2所述曲面共形频率选择表面天线罩，其特征在于，根据圆台(12)高度和中空圆柱(13)半径计算出介质天线罩(1)母线的倾斜角度和母线长度，再结合折叠型频选单元(21)的边长计算出介质天线罩(1)外表面放置的折叠型频选单元(21)层数。
4.根据权利要求3所述曲面共形频率选择表面天线罩，其特征在于，对于每层折叠型频选单元(21)，计算出折叠型频选单元(21)中心位置所处介质天线罩(1)外表面圆的半径，从而得到该层折叠型频选单元(21)所处介质天线罩(1)外表面圆的周长，再次结合折叠型频选单元(21)的边长计算出该层放置折叠型频选单元(21)的数量；对于圆周长除以折叠型频选单元(21)边长不能整除的情况，采用向下取整的方式，将折叠型频选单元(21)等间隔角度的排布于该层。
5.根据权利要求4所述曲面共形频率选择表面天线罩，其特征在于，不同层折叠型频选单元(21)的间距也各不相同，各参数满足以下关系：
rfi＝rfi-1 le×cos(θ)
式中ls是母线上可以排列的单元层数，floor()为取整函数，l是母线长度，le是折叠型频选单元(21)边长，rf1是自上向下第一层折叠型频选单元(21)所处介质天线罩(1)外表面半径，r13为介质天线罩(1)的中空圆柱(13)内侧半径，h为介质天线罩(1)的圆台部分(12)高度，θ为母线延长线与中空圆柱(13)底平面的夹角；rfi是第i层折叠型频选单元(21)所处介质天线罩(1)的外表面半径，rfi-1是第i-1层折叠型频选单元(21)所处介质天线罩(1)外表面半径，numi是第i层折叠型频选单元(21)沿介质天线罩(1)外表面排列的数量。
6.根据权利要求5所述曲面共形频率选择表面天线罩，其特征在于，曲面共形频选阵列(2)共有10层，其中从上至下分别为第一层(201)、第二层(202)、第三层(203)、第四层(204)、第五层(205)、第六层(206)、第七层(207)、第八层(208)、第九层(209)、第十层(210)；其中第一层(201)放置7个单元，相邻单元间隔圆心角为51.42°，第二层(202)放置9个单元，相邻单元间隔圆心角为40°，第三层(203)放置10个单元，相邻单元间隔圆心角为36°，第四层(204)放置12个单元，相邻单元间隔圆心角为30°，第五层(205)放置14个单元，相邻单元间隔圆心角为25.71°，第六层(206)放置16个单元，相邻单元间隔圆心角为22.5°，第七层(207)放置18个单元，相邻单元间隔圆心角为20°，第八层(208)放置20个单元，相邻单元间隔圆心角为18°，第九层(209)放置21个单元，相邻单元间隔圆心角为17.14°，第十层(210)放置23个单元，相邻单元间隔圆心角为15.65°。
技术总结