专利名称：一种复合式频率选择表面隐身雷达罩的制作方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种复合式频率选择表面隐身雷达罩。
背景技术：
隐身技术是是针对探测技术而言的，可将其分为雷达隐身、红外隐身、声隐身以及视频隐身等。武器装备的隐身性能的提高，能够延迟被发现的时间，削弱敌方雷达等预警系统探测发现、跟踪的能力，大幅度提高己方目标生存能力。飞机雷达舱、导弹制导舱等观通和传感器设备是飞行器正前方的强雷达散射源，雷达目标特征信号控制技术的核心是降低雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS), RCS是表征隐身性能的重要指标。由于座舱玻璃，雷达罩，导引头罩等均是雷达透明件，雷达吸波材料一般没有透明区，因此要有效的缩减飞行器正前方的RCS，一种行之有效的方法是选择滤波材料。频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)是一种微波周期性结构，任·何周期性分布在平面上的导体贴片或孔径结构，都会对微波到光波波段的电磁波产生衍射现象。周期阵列单元的形状，彼此的间距，以及它们周围的介质状况都会对散射场产生影响。如果不考虑介质的影响，当单元尺寸为入射波半波长的整数倍时发生谐振。当频率选择表面的阵单元对于某一频率的入射波发生谐振时，该入射波将被全反射(贴片型结构)或全透射(孔径型结构)，而偏离此谐振频率的入射波可以部分通过(贴片型结构)或被部分反射(孔径型结构)，因此FSS可作为空间滤波器。频率选择表面理想的滤波特性是在通带内保持平顶，而在通带外沿快速滚落的边缘进入不透明范围，且对于不同的入射角度，以及不同极化方式的入射波都保持不变的通带形状。FSS在射频及光学波段有着广泛应用，比如天线、雷达罩、飞行器结构及卫星接收表面等。为了不影响天线的性能并减少不期望的探测，天线罩可以和FSS相结合制作成频率选择天线罩(Frequency Selective Radome, FSR),将工作波段设计为通带,敌方探测波段设计为阻带，从而能够透过己方电磁波的同时，屏蔽敌方探测雷达波，敌方探测雷达波被FSS雷达罩外形反射到广大空间，有效减小后向散射，降低RCS，实现雷达罩的隐身。FSS应用于飞行兵器隐身中的优势是屏蔽的波段宽，可靠性好；既不改变其外形设计及工艺，又不增阻和基本不增重；可用于研制新型兵器又可用于现役装备的改造；可用于导弹，进一步发展也可用于飞机，在军事领域对FSS的需要是最迫切的，FSS技术的隐身应用是提高相应武器作战效能比的关键性技术。然而，大部分飞行兵器的雷达罩为流线型外形且不可展开成平面，FSS随型制备于雷达罩上不仅工艺实现困难，而且电磁波在FSS上的入射角度很大，造成FSS通带透过率低。为了解决FSS随型制备于天线罩上带来的工艺难题及入射角大造成FSS通带透过率低的问题，本发明提出了一种内、外双罩复合式频率选择表面雷达罩，将FSS制备于可展开的锥形内罩上，再将内罩嵌入到原雷达罩内，经固化层合，最终制作出复合式频率选择表面隐身雷达罩。
发明内容
本发明为解决现有雷达罩为流线型外形且不可展开成平面，FSS随型制备于雷达罩上不仅工艺实现困难，而且电磁波在FSS上的入射角度很大，造成FSS通带透过率低的问题，提供一种复合式频率选择表面隐身雷达罩。一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，该复合式频率选择表面隐身雷达罩由频率选择表面柔性膜层合于锥形内罩外表面，构成频率选择表面内罩，再用专用层合设备将所述的频率选择表面内罩嵌入并层合到外雷达罩中，构成复合式频率选择表面隐身雷达罩，所述频率选择表面柔性膜由Y环单元组成，所述Y环单元以正三角形周期排布。本发明的工作原理本发明FSS层合于锥形内罩外表面，FSS阵子为Y环孔径型单元，对入射在其上电磁波呈现带通滤波特性。孔径型频率选择表面是带通型频率选择表面，其等效电路为LC并联。输入电压频率低时，电容阻抗大，但电感阻抗小，电流都通过电感接地，输出电压很小，传输系数低。频率高时电感阻抗大，电容阻抗小，电流都走电容，输出电 压很小，传输系数低。当输入频率等于谐振频率时，电容与电感阻抗相当，此时通过两者的电流大小相等，方向相反，互相抵消，LC并联的综合效果变成阻抗极大，输出电压很大，传输系数高。本发明的有益效果一、本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩的制备是采用FSS柔性膜转移的工艺方法，先将FSS单元制作于平面柔性膜基底上，再将平面FSS柔性膜层合于可展开的锥形内罩外表面，避开了将FSS直接制作于不可展开二次曲面雷达罩内表面的技术难题，从而大大降低了 FSS应用于不可展开曲面雷达罩的工艺实现难度。二、本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩，内罩外表面所用FSS柔性膜可以通过光刻、镀膜工艺，或采用PCB工艺来实现。三、本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩，可以通过设计内罩锥角来控制电磁波入射到FSS上的入射角度，避免了 FSS直接制作于流线型雷达罩内时，电磁波入射角度大对通带透过率的不良影响。四、本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩，内罩厚度及锥角设计综合考虑外雷达罩与天线之间的空间、FSS入射角度，嵌入的FSS内罩不影响原雷达天线的正常工作扫描。五、本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩，可以在不改变现有型号雷达罩外形和天线工作方式的前提下，制作FSS内罩并嵌入外雷达罩内，不影响外雷达罩流线型结构的空气动力学特性并基本不增加雷达罩重量。六、本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩，在外雷达罩内嵌入FSS内罩，能够透过己方工作频段电磁波，屏蔽敌方探测雷达波，减小后向散射，降低RCS，实现雷达罩的隐身。
图I为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩的Y环单元示意图；图2为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中的FSS柔性膜及其Y环单元以60°周期排布局部示意图3为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中的外雷达罩示意图；图4为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中用来承载FSS柔性膜的锥形内罩的不意图；图5为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中由FSS柔性膜围成的锥形罩不意图；图6为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中由FSS柔性膜通过胶接介质层合于锥形内罩外表面构成的FSS内罩不意图；图7为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩包括雷达天线、FSS内罩、夕卜雷达罩的复合式频率选择表面隐身雷达罩结构示意图；图8为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中电磁波入射到复合式频 率选择表面隐身雷达罩上后，FSS内罩对通带、阻带电磁波的作用示意图；图9为本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩中的TE极化电磁波以50°入射到雷达罩上，内罩与外罩之间取三个典型空气厚度时，此种复合式频率选择表面隐身雷达罩透波特性仿真曲线示意图；图10为天线扫描角Y =5°时，在微波暗室内实测的单纯外雷达罩透波特性与复合式频率选择表面隐身雷达罩透波特性的对比示意图。图中1、Y环单元，L1J环单元的外臂长，L2、Y环单元的内臂长，W1J环单元的外臂宽，W2、Y环单元的内臂宽，S、Y单元的环缝隙宽度，2、空气隙，3、雷达天线，4、锥形内罩，5、FSS内罩底部圆柱裙边，6、柔性膜基底聚酰亚胺。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I至图8说明本实施方式，一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，该复合式频率选择表面隐身雷达罩由频率选择表面柔性膜层合于锥形内罩外表面，构成频率选择表面内罩，再用专用层合设备将所述的频率选择表面内罩嵌入并层合到外雷达罩中，构成复合式频率选择表面隐身雷达罩，所述频率选择表面柔性膜由Y环单元I组成，所述Y环单元I以正三角形周期排布，周期排布的参数分别为，Y环单元I在X方向上的排布周期Dx为7 mm,在y方向上的排布周期Dy为6. 062 mm,排布周期角α为60°。本实施方式所述的Y环单元I的结构参数为Υ环单元I的外臂长L1为3. 6 mm, Y环单元I的内臂长L2为3. 2 mm，Y环单元I的外臂宽W1为1.6 mm，Y环单元I的内臂宽W2为O. 8 mm，Y环单元I的环缝隙宽度S为O. 4 mm，Y环的缝隙宽度保持一致。本实施方式所述的锥形内罩为外形曲面可展开的锥形罩，通过先制备平面频率选择表面柔性膜，再将制备的平面频率选择表面柔性膜转移到锥形内罩的外表面的工艺实现，同时通过设计频率选择表面内罩锥角β控制电磁波入射到频率选择表面内罩上的入射角度Θ 2。本实施方式利用FSS的频率选择特性，采用柔性膜转移工艺，将平面FSS转移到锥形内罩4的外表面，FSS图形单元为Y环单元1，Υ环单元I形状简单，工艺精度也很容易达至IJ，对任意极化的情况都能够应用，带宽比较窄，在通常情况下环形单元在角度稳定性和极化稳定性方面要明显优于Y孔单元，适合用在三角形格子排列的结构。而大部分雷达罩的外形都是锥面或不可展开二次曲面，由于表面要求周期性的原因，希望FSS单元使用三角形格子排列，Y环单元I最适合使用在雷达罩上，因此本实施方式选定图形单元为Y环单元1，Y环单元I排列方式结合图2所示，为正三角形60°周期排布。Y环单元I应用于天线罩采用正三角形60°排布来实现曲面FSS的排布优化。
具体实施方式
二、结合图2至图8说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式
一所述的一种复合式频率选择表面隐身雷达罩的制作方法，具体的制备过程分为锥形内罩设计、仿真计算及工艺制备三个阶段一、锥形内罩设计阶段根据外雷达罩、雷达天线3 口面尺寸和雷达天线3的工作状态扫描角度计算锥形内罩的设计空间，必须保证FSS锥形内罩嵌入到天线与外雷达罩之间后，不影响雷达天线3的正常工作扫描。然后计算电磁波入射到不同锥角的锥形内罩上时，折算成FSS上的入射角度，以及雷达天线3从零位扫描到最大工作角度Y时，电磁波在FSS内罩上入射角变化范围。以FSS入射角度小且入射角度变化范围小为原则来确定锥形内罩锥角β，这样可以通过内罩外形设计来降低FSS入射角，提高通带透波特性。
本实施方式中雷达天线3的工作扫描区最大扫描角度为Y，FSS内罩与外雷达罩之间介质为空气隙2，FSS内罩底部圆柱裙边5与外雷达罩之间采用胶接介质将FSS内罩与外雷达罩结合牢固。在仿真计算建模时需同时考虑外雷达罩、空气隙2、FSS，柔性膜基底聚酰亚胺6、锥形内罩4，雷达天线3的扫描角度范围，建立模型，结合图7的模型结构，其中示意了天线工作中的两个状态一是天线口面正对雷达罩鼻锥方向，此时天线转角定义为0°，二是天线旋转其工作最大角度Y后，天线口面偏离雷达罩鼻锥方向。二、仿真计算阶段在专业电磁仿真软件内建立复合式频率选择表面隐身雷达罩模型，包括原雷达罩、非均匀厚度空气隙d、FSS、胶接介质、柔性膜基底、胶接介质、锥形内罩。内、外罩之间的空气隙d受内罩外罩形状影响不是均匀的，因此参数d代表从小空气隙到最大空气隙的可变范围。因为从FSS的谐振带宽、角度稳定性、抗交叉极化特性、曲面准周期特性等多种响应特性及加工难易程度综合考虑，Y环是应用于雷达罩上较为理想的结构单元。本FSS设计选用Y环单元I。在建立的模型中准确输入各层介质的电参数，如介质厚度、介电常数、损耗角正切值等。FSS单元图形的尺寸及周期排布参数，如Y环单元I的U、L2J^W2'S，周期排布参数Dx、Dy及排布角度a。Y环单元I参数取决于FSS工作的频段，如本发明工作于Ku波段，谐振波长为Y环参数的初始值可满足Y环内外环周长平均值3 (L^L2)/2 ^ λ ^，再根据计算结果优化Y环结构参数。排布方式为正三角形排布，即排布角度α =60°。内、外罩之间空气隙变化范围为由dl到d2时，在Ku波段扫频计算的透波特性。Y环结构参数及周期排布参数经过多次优化调整，得到了复合式频率选择表面隐身雷达罩的优化设计。图9是TE极化电磁波以50°入射在复合式频率选择表面隐身雷达罩上的透过率仿真曲线，空气隙分别为dl、d2、d3 (d3 = 3dl)时，中心频点&处透过率为最低值为-O. 26dB (94%)，且中心频点&基本不随空气隙d的变化而发生漂移。三、工艺制备阶段采用镀膜、光刻的方法在聚酰亚胺基底上制备周期排布的FSS图形，得到FSS柔性膜。利用蜂窝夹层结构天线罩透波材料，通过模具采用真空热压固化的方法制作出锥形内罩。通过专用层合设备将氰酸脂胶膜铺覆在内罩锥面及其圆柱面裙边，再将FSS柔性膜层合到内罩外表面得到FSS内罩。再通过专用层合设备将FSS内罩层合到外雷达罩内部，FSS内罩底部圆柱形裙边5与外雷达罩之间为氰酸脂胶膜胶接，内罩与外雷达罩由专用工装精确定位，夹紧，经高温烘烤后层合到一起，复合式频率选择表面隐身雷达罩制备完成。本发明所述的一种复合式频率选择表面隐身雷达罩在Ku波段实现，FSS的Y环单元 I 的结构参数为1^=3.6 mm, L2=3. 2 IimuW1=L 6 mm,ff2=0. 8 mm, S=O. 4 mm。周期排布参数为Dx=7 mm, Dy=6. 062 mm, α =60°。FSS柔性膜采用厚度为O. 03mm的聚酰亚胺薄膜，其相对介电常数ε^3. 0，损耗角正切值tan δ =0.005。在其上镀上厚为5 μ m的铜膜。锥形内罩与外雷达罩之间空气隙最大值d=150 mm。图9和图10为复合式频率选择雷达罩的仿真与实际测试曲线。图9的仿真曲线表明，在TE极化电磁波以50°入射到雷达罩上时，中心频点fo不随空气隙变化而改变，即复合式频率选择表面隐身雷达罩能够适应内、外罩之间不均匀厚度的空气隙，并具有良好的通带特性。图10为天线转角γ=5°时的外雷达罩与复合式频率选择表面隐身雷达罩实测透波曲线对比，中心频点fo处外雷达罩透过率为-I. 2dB(75. 9%)，复合式频率选择表面隐身雷达罩透过率为-I. 36dB (73. 1%)，在&处，在相同的测试环境下，复合式频率选择表面隐身雷达罩较原雷达罩透过率仅下降2. 8%。具有较好的通带特性，并具有明显的选频特性图10还显示，复合式频率选择表面隐身雷达罩对于通带外 的电磁波具有明显的滤波作用，能将阻带电磁波依FSS内罩外形反射到广大空间，结合图8，通带内电磁波以角度Q1入射到外雷达罩上，经过外雷达罩与空气隙后，以θ2入射到FSS内罩上，再透过FSS内罩被雷达天线接收，发射的过程与此相反。阻带电磁波透过外雷达罩入射到FSS内罩后，被FSS内罩外形反射到广大空间。β为FSS内罩锥角，根据天线与外罩之间的空间可设计不同锥角的内罩，Y为天线工作状态下最大扫描角度。从而缩减雷达罩的后向RCS,实现雷达罩的隐身。本实施方式提供一种复合式频率选择表面隐身雷达罩的制作方法，制作具有FSS的内罩并将之嵌入到现有型号雷达罩内，实现雷达罩的隐身。该方法可用于天线罩为流线型二次曲面外形、外形不可展开成平面、雷达天线工作扫描范围与雷达罩有一定空间的情况。将FSS制备于可展开锥形内罩上避开了复杂的不可展开曲面FSS制备工艺，通过内锥罩锥角设计可以控制FSS入射角度，避免了 FSS入射角过大时插入损耗过大对通带性能的不良影响。
权利要求
1.一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，其特征在于，该复合式频率选择表面隐身雷达罩频率选择表面柔性膜层合于锥形内罩(4)外表面，构成频率选择表面内罩，再用专用层合设备将所述的频率选择表面内罩嵌入并层合到外雷达罩中，构成复合式频率选择表面隐身雷达罩，所述频率选择表面柔性膜由Y环单元(I)以正三角形周期排布组成。
2.根据权利要求I所述的一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，其特征在于，所述Y环单元(I)的结构参数为Y环单元(I)的外臂长(L1)为3. 6 mm，Y环单元(I)的内臂长(L2)为3. 2 mm，Y环单元(I)的外臂宽(W1)为1.6 mm，Y环单元(I)的内臂宽(W2)为O. 8 mm, Y环单元(I)的环缝隙宽度(S)为O. 4 mm。
3.根据权利要求I所述的一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，其特征在于，所述Y环单元(I)以正三角形周期排布的参数分别为，Y环单元(I)在X方向上的排布周期(Dx)为7 mm,在y方向上的排布周期(Dy)为6. 062 mm,排布周期角(α )为60°。
4.根据权利要求I所述的一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，其特征在于，锥形内罩(4)为外形曲面可展开的锥形罩，通过先制备平面频率选择表面柔性膜，再将制备的平面频率选择表面柔性膜转移到锥形内罩的外表面的工艺实现，同时通过设计频率选择表面内罩锥角(β )控制电磁波入射到频率选择表面内罩上的入射角度(Θ 2)。
5.根据权利要求I所述的一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，其特征在于，所述锥形内罩(4)与外雷达罩之间的空气隙厚度不均匀。
全文摘要
一种复合式频率选择表面隐身雷达罩，涉及微波技术领域，它解决现有雷达罩为流线型外形且不可展开成平面，FSS随型制备于雷达罩上不仅工艺实现困难，而且电磁波在FSS上的入射角度很大，造成FSS通带透过率低的问题，本发明由Y环单元频率选择表面锥形内罩嵌入到外雷达罩内，经专用层合设备制备而成。本发明在特定雷达频段内具有带通滤波特性，它具有良好的通带特性，能够高效透过工作频段电磁波，同时将带外探测电磁波依罩型反射到广大空间，缩减后向雷达散射截面积，实现雷达罩的隐身。本发明所述的复合式频率选择表面隐身雷达罩可用于导弹、飞机的雷达天线罩隐身。
文档编号H01Q1/42GK102882002SQ20121037033
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者梁凤超, 高劲松, 徐念喜, 冯晓国, 赵晶丽, 孙连春 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所