任 然，芮 錫

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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無人作戰(zhàn)飛機天線多層頻率選擇表面技術(shù)*

任 然**，芮 錫

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

無人機作戰(zhàn)飛機(UCAV)快速發(fā)展的同時，無人機平臺天線的頻率選擇表面(FSS)技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計和測試了一種用于無人作戰(zhàn)飛機天線隱身的多層頻率選擇表面，多層頻率選擇表面通帶為K頻段，并且有一個很寬的阻帶。數(shù)值結(jié)果和測試結(jié)果驗證了該頻率選擇表面的有效性。該設(shè)計技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在今后無人作戰(zhàn)飛機天線隱身上，也可以用在其他隱身平臺的相關(guān)天線設(shè)計中。

無人作戰(zhàn)飛機；天線隱身設(shè)計；頻率選擇表面；雷達(dá)散射截面縮減

1 引 言

無人作戰(zhàn)飛機(Unmanned Combat Aerial Vehicle，UCAV)由于不需要作戰(zhàn)人員直接面臨各種威脅，實現(xiàn)零傷亡，而被廣泛用于空中作戰(zhàn)，在軍事上和政治上都有很強烈的使用需求。伴隨著戰(zhàn)場的信息化發(fā)展，目前無人作戰(zhàn)飛機主要用于空-空/空-地攻擊、偵察監(jiān)視、通信中繼等。無人作戰(zhàn)飛機快速發(fā)展，其面臨的威脅也愈加嚴(yán)重，特別是在拒止空間，面臨多種有源及無源的探測，多頻段高功率干擾、攔截等。為了適應(yīng)多變、惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，提高UCAV的生存能力和作戰(zhàn)能力，除了提高機載的傳感器、飛行系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的能力外，UCAV的隱身性能越來越受到關(guān)注。世界各國都在不斷發(fā)展隱身相關(guān)技術(shù)，提高飛機的隱身水平[1-2]，降低UCAV在戰(zhàn)場被探測、截獲和攻擊的概率。無人機目前最主要的隱身技術(shù)包括雷達(dá)隱身、輻射隱身和紅外隱身，其中，雷達(dá)隱身的核心是降低無人機平臺的雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section，RCS)[1,3]，防止被敵方各個頻段預(yù)警雷達(dá)及制導(dǎo)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)和鎖定。

目前，全球主要發(fā)展的無人機有無人作戰(zhàn)飛機(如X-47B)、無人偵察機(如“全球鷹”)及察打一體無人機。無人機系統(tǒng)為了實現(xiàn)通信、測控、探測等功能，需要配置大量的傳感器。傳感器的最外端天線直接影響了無人機整機的雷達(dá)隱身。雖然目前天線都有共形安裝的要求，但由于天線分布在機體表面，電磁波在天線表面依然有很強的散射貢獻(xiàn)，參與了整機對外的散射，因此為了有效降低無人機RCS，必須要合理設(shè)計天線，減縮天線RCS。為了保證天線正常工作，同時又能提高天線的隱身性能，在無人機平臺中，頻率選擇表面(Frequency Selective Surface，F(xiàn)SS)成為天線隱身的關(guān)鍵技術(shù)之一。普通的天線罩是全透波的，導(dǎo)致了在天線的工作頻帶外，雷達(dá)波能直接透過天線罩進(jìn)入天線腔體，造成散射回波增強。而FSS只是在天線工作頻帶有透波特性，天線工作頻帶外的雷達(dá)波則無法進(jìn)入天線罩內(nèi)部，基本呈現(xiàn)全反射特性，起到了空間濾波的作用，消除了由于天線陣面和腔體造成的強散射作用，能有效降低天線帶外的RCS。

從20世紀(jì)60年代開始，國外針對天線隱身已相繼開展了很多工作，如鐵氧體吸波材料[4]、頻率選擇表面技術(shù)[5-6]。但是，吸波材料技術(shù)有一定的使用局限，比如：天線工作頻帶內(nèi)吸波材料的吸波特性會影響天線自身的輻射性能，尤其是C、X、Ku、K頻段的天線，吸波材料的使用有很強的局限性。80年代，隨著隱身技術(shù)的開展，F(xiàn)SS較早地運用于天線的隱身技術(shù)中，主要用于機載雷達(dá)、共形天線的天線罩結(jié)構(gòu)中。國外FSS技術(shù)在理論方面已經(jīng)成熟，能有效指導(dǎo)工程項目中的天線罩設(shè)計。美軍現(xiàn)役F-22、F-35、X-47B的機載天線部分都采用了FSS技術(shù)，有效降低了天線的RCS，滿足飛機平臺的高隱身設(shè)計需求。國內(nèi)在無人機隱身技術(shù)方面的研究工作開展較晚，許多技術(shù)還僅僅處于理論研究階段，特別是對曲面共形FSS、寬帶多層FSS等設(shè)計方面，還有明顯差距。雖然目前已開展FSS技術(shù)方面的研究，取得了一定的研究成果，但離實際工程應(yīng)用還有一定的差距。

本文主要針對目前無人機的天線寬帶隱身需求，突破了FSS保證在天線帶外有寬帶高效的截止特性，同時保證在天線帶內(nèi)有很低的損耗，并且通過實物測試驗證了該FSS的特性，可為未來無人作戰(zhàn)飛機的隱身提供技術(shù)支撐。

2 多層頻率選擇表面設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

FSS的特性主要取決于FSS單元的形狀和尺寸。常見FSS單元可分為環(huán)形單元(Loop Elements)、中心連接形單元(Center Connected Elemnets)、實芯單元(Solid Interior Elements)和組合形單元(combinations)4種類型。二維FSS的柵格排列方式一般有兩種，即矩形柵格排布和斜三角柵格排布。通常，無人機面臨的威脅雷達(dá)廣泛分布于海、陸、空、天，其工作頻段覆蓋較寬，一般從L、S、C、X一直到Ku頻段都有。因此，針對無人機的隱身設(shè)計，原理上要求天線FSS罩的FSS特性也能覆蓋整個雷達(dá)頻段。然而，F(xiàn)SS罩的FSS特性通常是基于電磁諧振特性實現(xiàn)的，同時也需要考慮天線自身的工作頻帶。電磁諧振決定了FSS罩的FSS特性較窄，因此，F(xiàn)SS達(dá)到諧振特性給其在寬帶雷達(dá)隱身中的應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。于是，多層FSS及可重構(gòu)的頻率選擇表面(Reconfigurable FSS，RFSS)引起了人們的關(guān)注。RFSS是通過外加動態(tài)調(diào)控器件，實現(xiàn)對FSS電磁特性的動態(tài)實時控制。因此，我們可以針對雷達(dá)頻率特點，實時調(diào)控FSS罩的FSS特性，使其動態(tài)滿足天線隱身的需要。

加載介質(zhì)可以很好地降低FSS對入射波入射角度的敏感性，但同時也影響FSS的諧振頻率。假設(shè)空間自由FSS的中心諧振頻率為f0，對于介質(zhì)單側(cè)加載或?qū)ΨQ加載時FSS的諧振頻率分別為f1和f2，計算公式為

(1)

(2)

式中：εr為相對介電常數(shù)。

對稱加載時，假設(shè)介質(zhì)為無限厚度(h→)，由Maxwell方程很容易得出諧振頻率將降至f2;假如介質(zhì)厚度h減至有限值，則諧振頻率將處于f0和f2之間。然而,當(dāng)h減至很小(約0.05λ0)時，諧振頻率將趨近于自由FSS的f0。單側(cè)加載時，無論介質(zhì)加載在自由FSS的哪一側(cè)(前側(cè)或后側(cè))，對FSS傳輸特性的影響是相似的。當(dāng)加載介質(zhì)厚度由小變大時，起初諧振頻率下降的幅度較大，隨著厚度的增加，諧振頻率又有回升的趨勢。介質(zhì)厚度為有限值h時，諧振頻率將處于f0和f1之間。

單層FSS在很多情況下很難滿足系統(tǒng)帶寬的要求，這時就需要使用多層FSS級聯(lián)進(jìn)行設(shè)計。將多個單層FSS通過加載介質(zhì)層相級聯(lián)，構(gòu)成多層FSS。實際中考慮到設(shè)計的復(fù)雜程度，一般采用雙層或三層的FSS。多層FSS比單層FSS具有更大的帶寬，在工作頻帶內(nèi)具有平坦的傳輸曲線，同時工作帶寬的邊緣截止趨勢也明顯加快。多層FSS可部分消除單層FSS產(chǎn)生的表面波的影響，提高傳輸或反射系數(shù)。這些都是多層FSS目前廣泛使用的重要原因。根據(jù)不同的需要，實際使用的多層FSS的兩個金屬屏結(jié)構(gòu)可以相同也可以不同。

由于天線工作于K頻段(21.4～22.9 GHz)，天線的隱身設(shè)計頻帶為2～18 GHz，天線工作頻段與隱身設(shè)計頻段間隔僅為3.4 GHz，在如此窄的頻帶內(nèi)實現(xiàn)天線罩頻率選擇特性的快速變化，也給該FSS的設(shè)計帶來了極大的難度。FSS天線罩根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為單層FSS天線罩、雙層FSS天線罩及多層FSS天線罩。隨著FSS層數(shù)所增加，天線罩頻率選擇特性將更加陡峭，如圖1所示。為實現(xiàn)隱身設(shè)計頻帶阻帶效果明顯，采用兩層或多層FSS圖案的天線罩結(jié)構(gòu)方案，提高天線罩的頻率選擇特性的陡峭程度，從而滿足該天線罩的性能需求，有效地提高該天線罩頻率選擇特性隨電磁波入射角度的隱定性，并且還具有對兩種極化TE、TM入射的頻率選擇的一致性?？紤]到天線工作頻段距離RCS考察頻段太近，單層或者雙層難以達(dá)到截止效果，這里選用3層FSS級聯(lián)形式。

圖1 典型FSS單元雙層及單層FSS特性圖Fig.1 Characters of single-layer FSS and two-layer FSS element

頻率選擇表面天線罩結(jié)構(gòu)如圖2所示，中間泡沫為石英玻璃布和FSS圖案，形成三明治式的夾層架構(gòu)。兩側(cè)對稱分布著低介電常數(shù)的PMI泡沫(εr=1.05(1-0.005j)),FSS圖案總厚度約5.8 mm，其中石英玻璃布的厚度為0.8 mm，PMI泡沫厚度為1.7 mm。

圖2 K/Ka頻段FSS罩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of K/Ka band FSS

頻率選擇表面單元為帶通型FSS結(jié)構(gòu)，在天線工作頻段為通帶，其他頻段為阻帶。單元為正六邊形縫結(jié)構(gòu)，六邊形環(huán)內(nèi)邊的內(nèi)切圓半徑為Rin，縫隙寬度為dg，外側(cè)單元之間連接的金屬寬度為ds。同時，該FSS單元采用三角布陣方式,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 FSS單元圖案及排布形式Fig.3 The element of FSS and array arrangement

采用周期性邊界條件，運用HFSS仿真軟件對上述FSS天線罩單元進(jìn)行全波計算，對其反射、透射性能進(jìn)行分析，天線罩的尺寸為200 mm×200 mm。通過優(yōu)化設(shè)計，F(xiàn)SS單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)為Rin=0.65 mm，dg=0.15 mm，ds=0.2 mm，周期p=2 mm。仿真中介質(zhì)材料采用氫酸酯石英玻璃布的介電常數(shù)，即εr=3.1(1-0.005j)。

采用HFSS對單元進(jìn)行仿真設(shè)計。從仿真結(jié)果可看出，在0°電磁波TM入射下，該天線罩頻率-1 dB的通帶為18.7～23 GHz，覆蓋整個K天線的工作頻帶。在通帶內(nèi)，透波率較為平坦，中心的透波率為0.4 dB，滿足帶內(nèi)-1 dB的損耗要求。另外還可以看出，帶外透波率數(shù)值迅速下降，在17 GHz，透波率就迅速降至-8 dB，實現(xiàn)了較為陡峭的FSS特性。在6～15 GHz，全頻帶內(nèi)0°電磁波入射的截止率均小于-10 dB。其中在X頻段，全頻帶內(nèi)仿真透波率小于-25 dB。

2.2 實物測試驗證

為了進(jìn)一步驗證FSS罩的帶內(nèi)透波性能以及阻帶截止特性，我們按照仿真FSS尺寸參數(shù)制作了FSS圖案，并敷制了平面型天線罩，如圖4所示。采用天線接收功率對比的方法測試待測目標(biāo)的傳輸系數(shù)。測試寬頻帶天線在自由空間中的寬頻接收功率，以該測試數(shù)據(jù)為標(biāo)定值。再將待測目標(biāo)放于寬帶天線之前，并測試接收天線的接收功率，與自由空間情況的標(biāo)定值進(jìn)行對比，從而得到待測目標(biāo)的傳輸系數(shù)，如圖5所示。

圖4 FSS實物圖片F(xiàn)ig.4 Photo of the manufactured FSS

圖5 傳輸系數(shù)測試原理圖Fig.5 The testing diagram of FSS transmission coefficient

對該FSS平面結(jié)構(gòu)樣件進(jìn)行傳輸系數(shù)測試,測試結(jié)果如圖6所示。由測試曲線可知，在18～23.6 GHz出現(xiàn)了明顯的通帶,帶內(nèi)的透波率損耗在-0.8 dB左右,達(dá)到了要求。0°入射時，6～15 GHz的截止率大于-15 dB，與仿真結(jié)果基本一致。與相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計相比較，本文設(shè)計明顯提高了FSS通帶與阻帶的陡峭程度，在保證帶內(nèi)損耗低的同時提高了帶外的截止特性。

圖6 頻率選擇表面透波特性Fig.6 The transmission character of the FSS

與仿真結(jié)果相比可以看出，透波率曲線稍稍往高頻偏移了0.7 GHz左右，且?guī)?nèi)的透波率有所下降。這可能是由兩方面原因引起的:第一，在實際FSS罩加工中，為了保證結(jié)構(gòu)粘接強度，膠膜含量較多，導(dǎo)致?lián)p耗特性變差;其次，由于FSS層數(shù)較多，F(xiàn)SS加工精度要求較高,而實際加工中，很難達(dá)到設(shè)計要求，導(dǎo)致FSS圖案相對位置和整個FSS罩的厚度與設(shè)計值有較大的偏差,從而導(dǎo)致設(shè)計頻帶和透波率數(shù)值與仿真值有誤差。

3 結(jié) 論

通過仿真設(shè)計和樣件加工測試，本文設(shè)計了一種基于六邊形的多層頻率選擇表面。該頻率選擇表面在通帶內(nèi)有很好的透波特性，同時在很寬的阻帶范圍內(nèi)(6～15 GHz)有很好的帶阻特性，尤其在X頻段。仿真和測試的一致性驗證了該設(shè)計的有效性和準(zhǔn)確性。該頻率選擇表面技術(shù)可以在今后的作戰(zhàn)無人機平臺的天線上廣泛應(yīng)用，在保證天線輻射性能的同時，也能提高天線帶外隱身性能。

[1] 阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社,1998.

[2] 桑建華.飛行器隱身技術(shù)[M]．北京：航空工業(yè)出版社,2013.

[3] DAVID L J. Introduction to RF stealth[M].North Carolina:SciTech Publishing Inc.,2004.

[4] POZARD M. RCS reduction for a microstrip antenna using a normally biased ferrite substrate[J].IEEE Microwave Guided Wave Letters,1992,2(5):196-198.

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Multi-layer Frequency Selective Surface for Antenna of Unmanned Combat Aerial Vehicles

REN Ran，RUI Xi

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

With the rapid development of unmanned combat aerial vehicle(UCAV),the frequency selective surface(FSS) technique has been widely applied for the antennas of unmanned combat aircraft vehicle. This paper describes the design and measurement of a multi-layer FSS in order to reduce the radar cross section(RCS) of the antennas of UCAV. The proposed FSS has the pass-band centered at K band and also wide out-of-band rejection. Numerical results and measured results show the efficiency of the proposed FSS. The technique proposed in this paper can be widely applied in UCAV’s antenna stealth and other stealth platforms’ antenna design.

unmanned combat aerial vehicle(UCAV)；antenna stealth design;frequency selective surface；radar cross section reduction

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.006

任然，芮錫.無人作戰(zhàn)飛機天線多層頻率選擇表面技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2017,57(7):768-771.[REN Ran，RUI Xi.Multi-layer frequency selective surface for antenna of unmanned combat aerial vehicles[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):768-771.]

2017-03-13；

2017-06-05 Received date:2017-03-13；Revised date：2017-06-05

TN828

A

1001-893X(2017)07-0768-04

任 然(1973—)，女，四川眉山人，1995年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事航空電子總體設(shè)計工作;

Email：renran1973@163.com

芮 錫(1983—),男,江蘇溧陽人,博士,高級工程師,主要研究方向為航空電子、輻射與散射、天線系統(tǒng)。

Email:654944155@qq.com

**通信作者：renran1973@163.com Corresponding author：renran1973@163.com