趙　偉，劉建新，趙騰倫

(中國空空導彈研究院第八研究所，　河南 洛陽 471009)

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復合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

(中國空空導彈研究院第八研究所，河南 洛陽 471009)

設計和制備一種基于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聚酰亞胺預浸料之間，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，有利于提高雷達抗壓制式寬帶干擾的能力。

頻率選擇表面；石英纖維增強聚酰亞胺；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)?；谥芷谛缘闹C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。空空導彈上引信天線罩常選用輕質(zhì)耐高溫的復合材料[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度、剛度和韌性，能承受導彈高速機動、大過載帶來的各種應力；

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)應用于復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，進行選擇性透波[2-5]。在設計頻段內(nèi)天線罩保持正常的透波；設計頻段外，天線罩相當于一個金屬罩，將電磁波屏蔽。美國的第四代戰(zhàn)斗機F22和F35在機頭雷達罩上采用了該技術(shù)，其作用在于，使飛機天線艙在設計頻段

內(nèi)、外表現(xiàn)出不同的RCS特性。美國捕食者C型無人機，在機頭上方的衛(wèi)通天線罩上采用FSS技術(shù)，來控制飛機頭向的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)斗機和導彈常用的雷達頻段則是隱身的[6]。

本文將FSS應用于天線罩的設計和制備，對設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，即相當于級聯(lián)一個帶通濾波器，進行選擇性透波。復合FSS的天線罩將是一種提高雷達抗壓制式寬帶干擾能力的簡單有效的措施。

1　FSS單元設計

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

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設計中陣列周期的選擇主要應考慮避免結(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?。?/p>

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的樹脂基復合材料，樹脂基體主要有環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂、聚酰亞胺樹脂、有機硅樹脂，以及氟塑料和雙馬樹脂等材料。復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)外層覆蓋石英增強聚酰亞胺材料(牌號：YH-550)作為FSS薄膜結(jié)構(gòu)的保護層，如圖5所示。YH-550瞬時最大耐溫550℃，石英纖維作為骨架增強材料的結(jié)構(gòu)強度，每層YH-550的厚度不大于0.1mm。

圖5　多屏FSS結(jié)構(gòu)復合聚酰亞胺保護層

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。外覆石英增強聚酰亞胺材料作為FSS保護層，諧振頻率向低頻移動，但3dB通帶帶寬減小；外覆、內(nèi)嵌石英增強聚酰亞胺材料，透射波峰值為-3dB，石英增強聚酰亞胺材料層數(shù)越多，整體材料的損耗越大。

圖6　多屏FSS復合聚酰亞胺頻率響應曲線

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，即在覆銅基板上預先用網(wǎng)印抗蝕膜，然后，用化學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先涂布光敏抗蝕膜，并用相應的掩膜覆合曝光，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)絡分析儀、測試喇叭、吸波材料等搭建材料空間透射性能測試系統(tǒng)[10]。兩個測試喇叭分別放置在聚氨酯吸波材料夾具兩側(cè)，分別與矢量網(wǎng)絡分析儀輸出/輸入端口相連，周圍用吸波材料搭建吸波腔體；同時，為進一步降低環(huán)境的回波反射，矢量網(wǎng)絡分析儀設置時域門。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。分析認為：不同角度入射波水平和垂直方向的電場分量不同，導致FSS的諧振強度不同。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浸料，每層預浸料厚度為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　天線罩頻率響應曲線測試結(jié)果

由測試結(jié)果可知，復合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。分析認為兩層FSS作為夾層復合在聚酰亞胺預浸料中，在層疊鋪設的過程中，兩層FSS分布在聚酰亞胺預浸料兩側(cè)，結(jié)構(gòu)上容易出現(xiàn)錯位而導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的工藝，以提高透射性能的平頂效果。

5　結(jié)束語

設計和制備一種基于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)改進了天線罩設計和生產(chǎn)工藝，雷達系統(tǒng)不需要增加復雜的電路和信號處理算法，就可較大幅度提高雷達抗壓制式寬帶干擾的能力，工程實用性較強。

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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