一种电磁散射与辐射协同调控的薄层蒙皮的制作方法

本发明属于电磁散射控制与天线技术领域，具体涉及一种电磁散射与辐射集成控制的功能结构一体化蒙皮。

背景技术：

在体系对抗环境下，飞行器的信息化能力提升需要自身具备良好的信息侦察、电子对抗、宽带通信等综合射频功能，天线作为射频电子系统电磁辐射信号的收发终端，在飞行器机体结构上应用会显著增多，其中对战场2.0ghz以下频段信号的感知、干扰和通信等需求非常迫切。同时，在飞行器也迫切需要提高电磁散射控制能力。综合来看，飞行器的天线辐射和电磁散射控制功能需求强烈，采用散射与辐射一体化调控技术是解决集成设计的关键手段。

目前，国内外对电磁散射与辐射一体化的研究主要集中在高频天线的散射控制方面，传统上采用人工磁导体(amc)、超表面(ms)等电磁结构单元及阵列，加载在微带天线的周围实现一定带宽的rcs减缩，这些功能结构都工作在相对高的频段，如c和x。如果想让这些结构工作在低频段，可以进行结构尺寸的比例放大，但会存在体积、厚度大等问题，同时天线与散射控制结构单元功能分立，致使天线单元本身没有得到有效散射控制，以上问题使得目前已有的散射控制与天线一体化设计方法或技术不能满足机体/弹载蒙皮上工程应用要求。因此，需要寻求一种能够在有限厚度蒙皮内实现电磁散射控制和天线功能共用的结构单元及阵列，进行结构单元共形、共面耦合设计，实现机体散射和辐射特性的协同控制，解决飞行器远程突防及作战能力问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种解决飞行器(频率2.0ghz以下)电磁散射控制与天线功能结构一体化问题的散射与辐射一体化蒙皮。

薄层蒙皮的基础是电磁散射与辐射协同单元，通过控制单元结构上的有源器件(以二极管元件为主)的电性能参数，实现结构在频段内任意频点的电磁散射特性和辐射特性的独立可控调节；对基础的电磁散射与辐射协同单元进行规则阵列或不规则阵列组合，以及适当进行天线单元特定排布，可以构造散射控制与天线功能结构一体化的蒙皮。

本发明的技术方案：

电磁散射与辐射协同单元，主要包括外围金属片单元、中心金属片单元、树脂基复合材料层和金属导电层等。外围金属片单元、树脂基复合材料层和金属导电层共同组成对入射低频雷达波进行散射调控的高阻抗散射控制功能结构，实现对电磁波的吸收和散射相位调节，这主要通过外围金属片单元上的固定电容和可变电容进行工作频谱的固化和工作频点的调控。中心金属片单元以高阻抗散射控制结构作为天线功能结构的同相反射层，并与外围金属片单元共面，嵌套在外围金属片单元内部，通过中心金属片单元上的固定电容和可变电容进行天线工作频谱固化和频点调控。

散射控制与天线功能结构一体化蒙皮，由金属嵌套单元阵列层、树脂基复合材料承力层、金属导电屏蔽层及馈电线路层组成，其基本结构单元为电磁散射与辐射协同单元，是整个蒙皮散射与辐射功能特性调节实施的核心结构，通过其单元及其单元阵列结构上的多种可变电容器件的容值组合调节实现协同工作；树脂基复合材料承力层主要用来承受蒙皮上的分布式载荷，可根据实际飞行器结构特点选择玻璃钢或石英纤维树脂基复合材料作为基体材料；金属导电屏蔽层为金属铜膜或铝膜，实现入射电磁波的屏蔽和反射；馈电线路层主要用来对外围金属片单元和中心金属片单元上的可变电容进行供电，调节电容值，可以实现对蒙皮结构散射控制和天线功能的工作频点、散射控制模式、辐射方向图等性能的调控。

本发明的有益效果

本发明通过调节金属嵌套单元阵列层上的可变电容的工作容值，实现对蒙皮结构散射控制和天线的工作频点、散射控制模式、辐射方向图等性能的调控。本发明创造性地利用有源可调的薄层高阻抗结构实现了电磁散射与辐射一体化结构共形、共面设计及散射控制和天线功能共用、互不干扰，可用于飞行器机体蒙皮散射和辐射特性的协同控制，可有效解决飞行器远程突防及作战问题。

附图说明

图1是电磁散射与辐射协同单元结构示意图。

1.外围金属片单元2.中心金属片单元3.树脂基复合材料层4.接地导电层5.外围金属片单元固定电容6.外围金属片单元可变电容7.中心金属片单元可变电容8.中心金属片单元固定电容9.馈电金属过孔

图2是散射控制与天线功能结构一体化蒙皮示意图

10.上频段天线阵列组合11.下频段天线阵列组合

图3是散射控制与天线功能结构一体化蒙皮横断面示意图。

12.金属嵌套单元阵列层13.树脂基复合材料承力层14.金属导电屏蔽层15.树脂基复合材料隔离层16.馈电线路层

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明的主要内容是设计一种在一定厚度限制下的电磁散射控制和天线功能共用、单元共面、协同调控的飞行器蒙皮方案，进行机体散射和辐射特性的动态调节，实现散射控制/天线功能与承力结构一体化。

实施例1

一种电磁散射与辐射集成控制的功能结构一体化蒙皮，具体步骤如下：

第一步，根据散射控制和射频天线双重功能要求，首先设计由外围金属片单元单元1、树脂基复合材料层3和接地导电层4组成的高阻抗散射控制方案。外围金属片单元1周期尺寸在70～100mm之间，以带缺口的方形或l形、0.18μm厚的铜或铝金属环作为主体，金属环之间通过固定电容5进行连接，实现对高阻抗结构低频散射控制工作频谱的固化，金属环与金属导电层4之间通过可变电容6连接，调节可变电容值可实现对高阻抗结构散射控制功能工作频点的控制。可变电容在0.5pf～10pf之间变动时，可以实现高阻抗结构散射控制工作频点在300mhz～2.3ghz之间自由调控。树脂基复合材料层3为介电常数4.3的玻璃钢或石英纤维树脂基复合材料。

第二步，在高阻抗散射控制结构设计基础上，进行天线结构设计。在外围金属片单元1内部进行嵌套中心金属片单元2设计。中心金属片单元2集成在外围金属片单元1中心区域，主要以方形、0.18μm厚的铜或铝金属贴片为主体，方形金属贴片上开设尺寸相对较小的缝隙，缝隙之间加载固定电容8，用来辅助实现天线低频工作频谱的固化，方形金属贴片的边缘中点通过可变电容7与接地导电层4相连接，通过馈电金属过孔9进行辐射信号的输入和馈电。可变电容在1.0pf～20pf之间变动时，可以实现天线工作频点在300mhz～2.3ghz之间自由调控。

第三步，对电磁散射与辐射协同单元为蒙皮的基本单元进行阵列化，整体上由外及内构建金属嵌套单元阵列层12、树脂基复合材料承力层13、金属导电屏蔽层14、树脂基复合材料隔离层15及馈电线路层16组成的薄层蒙皮方案。蒙皮结构厚度为5.0mm。金属导电屏蔽层14为0.18μm厚的铜或铝金属薄膜。馈电线路层16主要为偏置电路，采用1mm的铜或铝金属线和电感元件作为偏置线，即可满足可变电容的直流电压调节，也可满足交变电磁场变化下的结构工作频点的稳定性，达到“通直流、阻交流”的设计作用。树脂基复合材料承力层13和树脂基复合材料隔离层15由介电常数4.3的玻璃钢或石英纤维树脂基复合材料构成。

第四步，在蒙皮天线功能实施时，馈电线路层16对外围金属片单元1和中心金属片单元2上的可变电容器件进行供电，调节电容值，以实现对蒙皮结构散射控制和天线功能的工作频点、散射控制身模式、辐射方向图等性能的调控。其中，中心金属片单元2可以根据选型的变容二极管调节能力进行分频段设计，可以分别选择1.0pf～10pf以及10pf～20pf之间有效工作的变容二极管型号，满足300mhz～2.3ghz频段的天线工作频点调节要求。此外，可以根据天线增益、方向图等工作需求，在蒙皮内进行中心金属片单元2的周期性或非周期性等多种阵列形式的组合排布。

上频段天线阵列组合10和下频段天线阵列组合11是由四单元阵列组合而成的天线阵列，分别实现300mhz～1.0ghz和1.0ghz～2.3ghz两个频段的频点和方向图调控。

第五步，在蒙皮散射控制和天线功能实施时，可分别对外围金属片单元1及阵列、中心金属片单元2及阵列上的可变电容器件的工作电容值进行独立调节，通过互相配合实现蒙皮结构的散射控制和天线功能的有效发挥。散射控制模式工作时，对中心金属片单元2及阵列上的可变电容进行适当加压，调节电容值，使得中心金属片单元2及阵列对散射控制功能实施的工作频点和散射控制模式无影响或影响最低。天线模式工作时，调节外围金属片单元1及阵列上的可变电容，使得其对中心金属片单元2及阵列辐射的表面电磁波进行抑制，提高天线的增益和方向性。