復(fù)合FSS的毫米波“矩形化”通帶頻率選擇天線罩

趙　偉，劉建新，趙騰倫

(中國空空導(dǎo)彈研究院第八研究所，　河南 洛陽 471009)

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復(fù)合FSS的毫米波“矩形化”通帶頻率選擇天線罩

趙偉，劉建新，趙騰倫

(中國空空導(dǎo)彈研究院第八研究所，河南 洛陽 471009)

設(shè)計和制備一種基于FSS的毫米波頻率選擇透波的輕質(zhì)耐高溫天線罩。在薄膜覆銅板材料上設(shè)計周期性排列的圖案形成FSS，并將多層FSS夾入多層石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺預(yù)浸料之間，高溫模壓實現(xiàn)天線罩的制備。測試結(jié)果表明：新型天線罩相當(dāng)于級聯(lián)了一個窄帶濾波器，具備平頂和陡截止的矩形化濾波特性，有利于提高雷達(dá)抗壓制式寬帶干擾的能力。

頻率選擇表面；石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺；矩形化通帶；天線罩

0　引　言

頻率選擇表面(FSS)，是由周期性排列的金屬貼片單元或金屬屏上周期性開孔單元構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)。基于周期性的諧振單元與不同頻率、不同極化的平面波相互作用，F(xiàn)SS具有控制電磁波反射和傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。空空導(dǎo)彈上引信天線罩常選用輕質(zhì)耐高溫的復(fù)合材料[1]，需具備以下特性：

1)微波傳輸性能優(yōu)良且穩(wěn)定；

2)耐高溫、熱膨脹系數(shù)低，以抵抗高氣動加熱熱沖擊；

3)材料基體具有較好的強(qiáng)度、剛度和韌性，能承受導(dǎo)彈高速機(jī)動、大過載帶來的各種應(yīng)力；

4)成型與加工性好，易于批產(chǎn)工程化。

將頻率選擇表面技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料制造的天線罩上，就可以使天線罩獲得頻率選擇的功能，進(jìn)行選擇性透波[2-5]。在設(shè)計頻段內(nèi)天線罩保持正常的透波；設(shè)計頻段外，天線罩相當(dāng)于一個金屬罩，將電磁波屏蔽。美國的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F22和F35在機(jī)頭雷達(dá)罩上采用了該技術(shù)，其作用在于，使飛機(jī)天線艙在設(shè)計頻段

內(nèi)、外表現(xiàn)出不同的RCS特性。美國捕食者C型無人機(jī)，在機(jī)頭上方的衛(wèi)通天線罩上采用FSS技術(shù)，來控制飛機(jī)頭向的RCS。該天線罩為鼓包形，對Ku波段的衛(wèi)星通信頻段是透明的，在戰(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈常用的雷達(dá)頻段則是隱身的[6]。

本文將FSS應(yīng)用于天線罩的設(shè)計和制備，對設(shè)計頻段外的電磁波隔離并控制散射方向，使天線罩具有頻率選擇的功能，即相當(dāng)于級聯(lián)一個帶通濾波器，進(jìn)行選擇性透波。復(fù)合FSS的天線罩將是一種提高雷達(dá)抗壓制式寬帶干擾能力的簡單有效的措施。

1　FSS單元設(shè)計

與普通天線罩相比，從射頻原理上理解，普通天線罩的設(shè)計工作相當(dāng)于射頻傳輸線的設(shè)計，其關(guān)鍵是阻抗匹配和減小衰減；復(fù)合FSS的天線罩相當(dāng)于為傳輸線級聯(lián)上一個帶通濾波器，除匹配和衰減外，其關(guān)鍵問題是FSS的諧振設(shè)計。

FSS傳輸特性的主要參數(shù)有中心頻率、帶寬和傳輸系數(shù)等。而影響這些參數(shù)的因素包括FSS單元的幾何形狀、單元大小、單元排布周期以及排布方式，電磁波的極化方式。FSS設(shè)計中陣列周期的選擇主要應(yīng)考慮避免結(jié)構(gòu)在規(guī)定頻域內(nèi)表面波傳播。此外，F(xiàn)SS的諧振頻率與帶寬會隨著電磁波的入射角度變化而變化。

FSS諧振單元分為中心連接型、環(huán)形或?qū)嵭膯卧？讖叫虵SS類似高通濾波器，在此選用原則為通帶帶寬窄、損耗小、具有較好的陡降截止的頻率特性、無寄生諧振。如圖1所示，仿真不同諧振單元的透射曲線，Y形單元的3dB工作帶寬最窄，確定Y形孔徑單元結(jié)構(gòu)為基本單元[7]。

圖1　不同諧振單元頻率響應(yīng)曲線

圖2為Y形FSS單元仿真模型，Y型孔徑單元的枝節(jié)長度、寬度以及介質(zhì)基板的厚度、電性能參數(shù)對濾波特性有影響，如圖3所示，分析Y形孔徑單元結(jié)構(gòu)參數(shù)與透射率的關(guān)系，以確定合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]。

圖2　Y形FSS單元仿真模型

圖3　枝節(jié)寬度對FSS傳輸特性影響

由結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳輸特性關(guān)系仿真結(jié)果：

1)基板介電常數(shù)變大，透射曲線的諧振頻率、邊緣陡降率無明顯變化；

2)基板厚度變大，透射曲線的邊緣陡降率變大，3dB通帶寬度變窄；但諧振頻率處的峰值變小；

3)Y形枝節(jié)長度變長，諧振頻率向低頻移動；枝節(jié)寬度變小，諧振頻率亦向低頻移動。

最終，選定聚酰亞胺覆銅薄膜板作為FSS的基板，厚度為0.05mm，確定Y形枝節(jié)長度為2.0mm，寬度為0.3mm。

2　多屏結(jié)構(gòu)FSS設(shè)計

為滿足FSS平頂和陡截止的矩形化濾波特性，需采用多層FSS以加強(qiáng)通帶或阻帶的截止特性。帶通天線罩通常要求有相對較高的Q值，這就需要多層FSS來實現(xiàn)。將兩層或者多層FSS級聯(lián)起來，主要是通過FSS層間電磁場的耦合來調(diào)節(jié)電性能，可獲得平頂和陡截止的帶通特性[9]，如圖4所示。

圖4　多屏FSS結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)曲線

由仿真結(jié)果可知，多屏FSS結(jié)構(gòu)的屏數(shù)越多，3dB帶寬越窄，四屏結(jié)構(gòu)的帶寬為1.2GHz；且透射曲線出現(xiàn)陡降。

目前，國內(nèi)普遍使用的天線罩復(fù)合材料主要是玻璃纖維、芳綸、石英纖維和聚乙烯纖維等增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，樹脂基體主要有環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、有機(jī)硅樹脂，以及氟塑料和雙馬樹脂等材料。復(fù)合材料的耐溫性主要取決于樹脂基體，其中聚酰亞胺是典型的高溫聚合物基材料。因此，四屏FSS薄膜結(jié)構(gòu)外層覆蓋石英增強(qiáng)聚酰亞胺材料(牌號：YH-550)作為FSS薄膜結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，如圖5所示。YH-550瞬時最大耐溫550℃，石英纖維作為骨架增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，每層YH-550的厚度不大于0.1mm。

圖5　多屏FSS結(jié)構(gòu)復(fù)合聚酰亞胺保護(hù)層

兩種四屏FSS薄膜結(jié)構(gòu)外覆YH-550的透射曲線如圖6所示。外覆石英增強(qiáng)聚酰亞胺材料作為FSS保護(hù)層，諧振頻率向低頻移動，但3dB通帶帶寬減小；外覆、內(nèi)嵌石英增強(qiáng)聚酰亞胺材料，透射波峰值為-3dB，石英增強(qiáng)聚酰亞胺材料層數(shù)越多，整體材料的損耗越大。

圖6　多屏FSS復(fù)合聚酰亞胺頻率響應(yīng)曲線

3　基于薄膜基板的FSS加工和測試

在工藝化方面，印刷電路、電腐蝕和光刻是平面薄屏FSS最為常用的加工方法。對于平面FSS加工來說，是在介質(zhì)基板上覆銅后，制備出具有導(dǎo)電的單元圖形。其工藝有兩種：一個是網(wǎng)印法，即在覆銅基板上預(yù)先用網(wǎng)印抗蝕膜，然后，用化學(xué)方法將未被抗蝕劑覆蓋的部分腐蝕掉，脫去抗蝕膜，這樣就制備出所需要的單元圖形，此工藝方法成本低，一般適用于加工制作寬縫隙的單元圖形；另一個是光刻法，即覆蓋銅基板表面預(yù)先涂布光敏抗蝕膜，并用相應(yīng)的掩膜覆合曝光，通過顯影腐蝕，除去基板表面上殘留抗蝕膜，這樣就制備出完整的單元圖形，此工藝方法成本高，但能加工窄縫隙的單元圖形。

采用光刻法加工毫米波波段FSS雙屏樣件。選擇杜邦公司AP8525R雙面撓性板作為FSS的加工基材，板材為聚酰亞胺，厚度為0.050 8mm，正反面的表面覆銅層均為0.018mm，雙面對稱刻蝕FSS結(jié)構(gòu)，并采用OSP防氧化處理，加工完成FSS。FSS雙屏樣件如圖7所示。

圖7　毫米波FSS雙屏加工樣片

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試?yán)取⑽ú牧系却罱ú牧峡臻g透射性能測試系統(tǒng)[10]。兩個測試?yán)确謩e放置在聚氨酯吸波材料夾具兩側(cè)，分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出/輸入端口相連，周圍用吸波材料搭建吸波腔體；同時，為進(jìn)一步降低環(huán)境的回波反射，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置時域門。測試時，F(xiàn)SS試驗件嵌套安裝在聚氨酯吸波材料夾具內(nèi)，從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取S21曲線，即為材料透射性能曲線。

加工的Ka波段兩屏FSS與四屏FSS的透射曲線對比如圖8a)所示，六屏FSS與四屏FSS的透射曲線對比如圖8b)所示。由測試結(jié)果可知：FSS具有電磁波帶通濾波器的空間透射性能，具有較好的陡降截止的頻率特性；FSS結(jié)構(gòu)的屏數(shù)越多，通帶帶寬越窄。

圖8　FSS頻率響應(yīng)曲線測試結(jié)果

分析入射波與FSS不同的夾角對透射性能的影響，對比如圖9所示。當(dāng)入射角為30°時，透射波諧振頻率發(fā)生偏移，帶寬變窄，材料損耗變大；透波性能的矩形化和平頂效果出現(xiàn)惡化。分析認(rèn)為：不同角度入射波水平和垂直方向的電場分量不同，導(dǎo)致FSS的諧振強(qiáng)度不同。后續(xù)可考慮交叉立體排布FSS陣列，形成立體布局的FSS單元結(jié)構(gòu)。

圖9　0°和30°入射角時FSS透射對比

4　基于FSS天線罩制備流程

將加工完成的FSS板材夾層在聚酰亞胺石英纖維布預(yù)浸料中，300℃高溫模壓成型制備天線罩。單層FSS厚度小于0.1mm，兩側(cè)各增加兩層聚酰亞胺預(yù)浸料，每層預(yù)浸料厚度為0.1mm，則天線罩的總厚度不超過 0.5mm，制備流程如圖10所示。制備的天線罩樣件如圖11所示，天線罩測試的透射曲線如圖12所示。

圖10　天線罩制備流程

圖11　天線罩樣件照片

圖12　天線罩頻率響應(yīng)曲線測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，復(fù)合FSS天線罩透射性能具備平頂和陡截止的矩形化濾波特性，3dB透射帶寬120MHz，相對帶寬比小于0.6%；10dB帶寬400MHz，相對帶寬比小于2%；復(fù)合材料中心頻率透波損耗≤0.5dB。

由圖11可知，天線罩透射性能沒有出現(xiàn)明顯的平頂效果。分析認(rèn)為兩層FSS作為夾層復(fù)合在聚酰亞胺預(yù)浸料中，在層疊鋪設(shè)的過程中，兩層FSS分布在聚酰亞胺預(yù)浸料兩側(cè)，結(jié)構(gòu)上容易出現(xiàn)錯位而導(dǎo)致單元上下不能完全對齊，從而影響了兩層FSS的諧振一致性，增大插入損耗的同時影響透射性能的平頂效果。后續(xù)工作可通過進(jìn)一步調(diào)整Y型單元的行、列間距，優(yōu)化透射性能；優(yōu)化每層材料層疊鋪設(shè)的工藝，以提高透射性能的平頂效果。

5　結(jié)束語

設(shè)計和制備一種基于FSS的毫米波頻帶選擇透波的輕質(zhì)耐高溫天線罩。在薄膜覆銅板材料上設(shè)計周期性排列的圖案形成FSS，將多層FSS夾入多層聚酰亞胺石英纖維布預(yù)浸料之間，高溫模壓實現(xiàn)天線罩的制備。測試結(jié)果表明，新型天線罩相當(dāng)于級聯(lián)了一個窄帶濾波器，具備平頂和陡截止的矩形化濾波特性。該技術(shù)改進(jìn)了天線罩設(shè)計和生產(chǎn)工藝，雷達(dá)系統(tǒng)不需要增加復(fù)雜的電路和信號處理算法，就可較大幅度提高雷達(dá)抗壓制式寬帶干擾的能力，工程實用性較強(qiáng)。

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趙偉男，1980年生，高級工程師。研究方向為無線電引信天饋系統(tǒng)設(shè)計。

劉建新男，1961年生，研究員級高級工程師。研究方向為無線電引信總體系統(tǒng)。

趙騰倫男，1981年生，工程師。研究方向為無線電引信結(jié)構(gòu)設(shè)計。

NovelFrequencySelectiveRadomewith“Rectangular”Pass-bandatMillimeter-waveFrequencyBasedonFSS

ZHAOWei，LIUJianxin,ZHAOTenglun

(TneNo.8DepartmentofChinaAirbornMissileAcademy,Luoyang471009,China)

Akindofradomewithmulti-bandselectivewavetransmissionbasedonFSSisdesignedandprocessed.Frequencyselectivesurfaceisintroducedintheflexiblecoppercladlaminateandisfilledinpolyimideprepregreinforcedbyquartzfibre.Theradomeisfabricatedbycompressionmoldingandhigh-temperaturecuring.Themeasuredresultsshowthat,theradomecanbeconsideredasahighpassfilterwithaflattopandasharpfalloffoutsidepass-bandtransmissionproperties.Therandomeisakindofsimpleandeffectivemeasurewhichimprovethecapabilityofwidebandblanketanti-jamming.

frequencyselectivesurfaces;polyimidereinforcedbyquartzfibre;rectangularpass-band;radome

中國空空導(dǎo)彈研究院科技創(chuàng)新基金項目

趙偉Email：zhaowei03617@163.com

2016-01-22

2016-03-20

TN975

A

1004-7859(2016)06-0063-04

·天饋伺系統(tǒng)·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.015