一种防雷击与透波/隐身一体化机载天线罩表面结构

本发明涉及电磁场与微波技术及雷击防护领域，尤其涉及一种防雷击的频选机载天线罩表面结构

背景技术：

1、机载天线罩是飞机上保护天线结构并确保气动性能的必备部件，由于其本身多数为不导电材料，在雷电产生的瞬态大电流、高电压条件下易于被击穿或烧毁而造成破坏，因此随着飞机平均使用年限的增长，机载天线罩的防雷击性能已成为不可或缺的重要设计指标。近年来，各国提出sae-arp5416,gjb-1389a等雷击试验标准并设计分流条、纽扣式分流条等金属结构，利用其引导雷击并构建雷电回路穿过机身从后端释放的原理，在多种机型的天线罩上实现了简单雷电防护设计，但传统的雷电毁伤防护方案对雷电间接效应影响下机载天线系统辐射性能鲜有研究。

2、机载防雷击天线罩产业快速成长的同时，各国对天线罩的透波和隐身性能提出了重要需求。各国致力于实现机载天线罩工作频带内的低插损透波性能的同时，卫星通信技术的兴盛推动了雷达探测技术的发展进程，在利用飞机的电磁波散射确定目标的空间位置成为各国重要的防空侦察手段的环境下，为保障机体安全、提高战术性能，各国在飞行器的初步设计阶段常利用外形技术和吸波材料技术实现雷达散射截面(radar cross section,rcs)缩减达到隐身的效果，但在机载天线装载区域的信号接收和发射需求限制了传统技术的应用。

3、因此，自二十世纪九十年代起，日益成熟的机载卫星通信系统带动k波段频选天线罩成为近年的研究热点，凭借极化和角度稳定性高、滤波能力强、工作频率范围大等优势，利用频率选择表面(frequency selective surface,fss)技术实现雷达的工作频段内带通的传输特性、改变雷达工作频段以外的雷达散射截面，构建频选天线罩已成为实现带内透波、带外隐身机载天线罩的重要方法之一。然而，加载fss的频选天线罩由于尺寸小、金属结构不连续等问题导致天线罩雷击防护能力急剧下降，高电压、大电流雷击条件下频选天线罩雷击防护性能的研究尚有不足。

4、可以发现，目前国内外对频选以及雷击防护机载天线罩的结构设计已有一定研究，利用fss和分流条等的原理和分析方法制造了部分天线罩产品。然而截至目前，防雷分流条造成的机载天线透波、隐身性能下降和频选天线罩雷电环境下易毁伤等问题亟待解决，二者的多功能一体化结构研究存在空白，因此研究防雷击与频选一体化的机载天线罩技术具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种防雷击与频选一体化机载天线罩表面结构，能够解决传统天线罩防雷击、隐身、透波等多种性能难以兼容的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供的防雷击与频选一体化机载天线罩表面结构由周期排列的fss单元构成，每个fss单元包含一层介质与两层金属贴片结构，所述第一层金属贴片位于介质上表面，第二层金属贴片位于介质下表面，金属贴片由十字形结构和四周加载的条形结构组成，上下两层贴片结构一致。

4、优选的，所述fss单元在传统单层fss基础上增加双层结构，改善带内透波和带外隐身性能。

5、优选的，所述fss单元的介质材料采用聚酰亚胺。

6、优选的，所述在传统的十字形单元基础上进行优化，解决了雷击防护能力差的问题。

7、优选的，所述fss单元利用共形方法贴合机翼构建阵列。

8、优选的，采用多物理场仿真方法验证机载天线罩防雷击性能。

9、工作原理：本发明中的fss单元上层的金属贴片覆盖了大部分机载天线罩表面的同时互相连通并与金属机翼连接，使得正极性雷云感应的异性电荷更集中于金属结构而非天线罩尖端，抑制了天线罩内部电晕流光的发展的同时能够实现雷击引导，从而保护机载天线罩介质不受毁伤。本发明中的fss单元以十字形贴片为主体形成了带通fss传输模式，在十字形结构周围增加条形贴片和双层结构将构建rlc等效电路，通过调节fss单元参数可以改变谐振特性，进而改善单元的s21参数，降低fss带通区域插入损耗的同时使得fss带阻区域实现全反射，实现带内透波带外隐身的性能。

10、本发明能够取得如下技术效果：

11、1、通过fss结构单元上表面互相连接的金属结构，将雷电环境下易毁伤的介质机载天线罩大部分覆盖的同时构成雷电流回路，实现引导雷击附着的同时泄放雷击电流至金属机身，解决传统机载天线罩高电压、大电流雷电环境下易毁伤的问题。

12、2、通过两层金属贴片的fss单元结构，在天线的等效电路中引入新的等效电容电感，利用结构参数变化改变fss整体谐振特性，实现特定频率范围带内透波带外隐身的性能，解决传统fss结构插损大和透波频段附近反射性能不足的问题。

13、3、通过多物理场仿真，从电流电场、温度、形变等不同物理参数验证天线罩防雷性能，相比于传统的电参数仿真实现了全面的毁伤评估，解决天线罩防雷击性能验证依赖“试错”实验导致的成本高、耗时长等问题。

技术特征：

1.一种防雷击与透波/隐身一体化机载天线罩表面结构，包括介质材料和金属贴片，其特征在于：在周期排列的十字形贴片基础上增加了条型结构和双层贴片形成创新型频率选择表面，结合机翼共形建模方法，提出了一种雷击防护/透波/隐身一体化的结构；与常规结构的透波/隐身结构相比，该结构不仅具有更好的防雷性能，且具有低插损、高隐身等优势。

2.根据权利要求1所述的介质，其特征在于：所述介质材料采用聚酰亚胺，所述介质为柔性材料，上下两层均有金属贴片附着。

3.根据权利要求1所述的上层金属贴片，其特征在于：所述上层贴片以十字形贴片为主体，在单元四周增加矩形贴片，所述两种贴片形成整体结构后可以形成互相连接的周期性结构。

4.根据权利要求1所述的下层金属贴片，其特征在于：所述下层贴片与上层贴片尺寸、形状一致。

技术总结
本发明公开了一种防雷击与透波/隐身一体化机载天线罩表面结构，目的是实现机载天线罩的雷击防护/透波/隐身性能。本发明包含一层介质和上下两层金属贴片，其中上下金属贴片结构和尺寸一致，均由十字形和矩形贴片组成，所述表面结构单元形成周期性排列后贴合在机翼表面。通过上层金属贴片引导雷击并构成回路进行雷电流泄放，同时利用上下两层贴片构成的频率选择表面形成低插损、高阻带和陡降过渡带的带通传输模式，优化透波隐身性能的同时保护结构内部介质机载天线罩不被雷击毁坏，从而实现了防雷击与频选一体化机载天线罩表面结构。

技术研发人员：王雨秋,吴世纪,班永灵,徐利明,赵京城,宗显政,胡俊
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16