CN102868021B

CN102868021B - 一种高性能频率选择雷达罩

Info

Publication number: CN102868021B
Application number: CN201210375321.0A
Authority: CN
Inventors: 王岩松; 高劲松; 陈新; 梁凤超; 冯晓国
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: CN102868021A

Abstract

一种高性能频率选择雷达罩，属于隐身技术领域，为了解决现有技术中单屏FSS结构在设计上的不足以及双侧介质加载FSS、双屏FSS由于结构复杂工艺难度大而难于实现FSS工程化的不足，提供一种用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩，该雷达罩包括原雷达罩、第一粘接介质层、超低介电常数介质层、第二粘结介质层和柔性FSS薄膜层，所述第一粘接介质层、超低介电常数介质层、第二粘结介质层和柔性FSS薄膜层成型并从外到内层合成FSS衬罩，所述FSS衬罩层合于原雷达罩内表面，由于选用的蜂窝、泡沫介质均属于超轻材料，使频率选择雷达罩不增重；结构相对简单，较大的设计余量带来了较大的工艺允差，降低了工艺难度、周期及成本。

Description

一种高性能频率选择雷达罩

技术领域

本发明属于隐身技术领域，具体涉及一种高性能频率选择雷达罩。

背景技术

物体表面的雷达散射截面（Radar Cross Section，简称RCS）代表目标的雷达可探测性，RCS值越小，目标被雷达发现的可能性就越小。导弹、飞机等武器装备在为实现精确制导采用寻的方式的雷达末制导时，制导舱会形成随机角反射器，成为强散射源，使导弹的前向RCS大幅增大。因此，如何在实现雷达制导的同时减缩RCS就成为提高飞行兵器突防能力的关键问题，由于座舱玻璃、雷达罩和引头罩等均是雷达透明件，常规雷达吸波材料一般没有透明区，因此吸波材料无法用于这些部位的隐身，一种行之有效的方法就是采用频率选择表面技术。

频率选择表面（Frequency Selective Surfaces，简称FSS）是由周期排列的金属贴片单元或金属屏上周期排列的开孔单元构成，这种材料在单元谐振频率附近呈全反射（贴片）或全传输（开孔）特性，具有空间滤波的功能。利用FSS的这一特性，可以将其应用于飞行兵器的雷达罩上起带通滤波器的作用，将己方制导雷达频段设计在FSS通带内，而将敌方探测雷达波段设计在FSS阻带内，使制导雷达波得以自由地发射和接收，而对其它威胁波则利用罩形反射到广大空间，从而实现隐身、抗干扰和防护的功能，大大提高导弹的突防能力。

通常可根据原雷达罩参数和技术指标设计制作出FSS衬罩结构，再将其随形复合于原雷达罩内表面即制成低RCS频率选择雷达罩。理想的频率选择雷达罩传输曲线应当具有“方形化”的特征，如图1所示，即在通带内保持平顶，而在通带外沿快速滚落的边缘进入阻带，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衬罩结构是影响其滤波性能的主要因素，目前FSS结构主要有单屏FSS、单侧介质加载FSS、双侧介质加载FSS和双屏FSS等几种。其中双侧介质加载FSS结构和双屏FSS结构在设计上更容易获得“方形化”，但却存在由于结构复杂、工艺难度大而导致实物很难达到设计水平的问题；单屏FSS结构最简单，工艺难度最低，但设计上却很难实现“方形化”；而单侧介质加载FSS结构设计和工艺难度介于二者之间，然而采用常规介质材料（介电常数2~6）也较难实现“方形化”致使FSS工程化进程一直难以推进。

发明内容

本发明为了解决现有技术中单屏FSS结构在设计上的不足以及双侧介质加载FSS、双屏FSS由于结构复杂工艺难度大而难于实现FSS工程化的不足，提供一种用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩。

用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩，包括原雷达罩、第一粘接介质层、超低介电常数介质层、第二粘结介质层和柔性FSS薄膜层，所述第一粘接介质层、超低介电常数介质层、第二粘结介质层和柔性FSS薄膜层成型并从外到内层合成FSS衬罩，所述FSS衬罩层合于原雷达罩内表面。

工作原理：空气是最特殊的一种介质，其介电常数为1.0，介电损耗也为0。FSS结构通常由介质和FSS阵列组成，当FSS阵列不是紧贴介质而是远离介质时，由于只有零阶传播模存在，介质边界的改变对FSS谐振特性产生影响很小，故谐振频率一直稳定在自由FSS的谐振频率附近。当这个空气间隙d为谐振波长λ的1/5时，谐振频率与带内透波率均保持稳定，达到1/2时最稳定，且达到稳定状态后的透波率比无空气隙直接加载方式明显提高。泡沫、蜂窝等材料由于其介电常数非常接近1.0，因此用它们替代空气间隙时，也能够得到宽且稳定的通带，且阻带抑制效果较好，呈现“近方形化”的特征，尽管通带和阻带间有一些爬行波，但并不影响通带和阻带的性能。

本发明的有益效果：本发明结构采用两层粘接介质、超低介电常数介质和柔性FSS薄膜层合于原雷达罩上，由于超低介电常数介质选用的蜂窝、泡沫等介质具有极低的介电损耗，因此通带插入损耗小，角度稳定性高，在0~60°入射角范围均能够获得较高的通带透过率，最多下降较原罩不超过3%，某些角度透过率甚至高出原罩30%，阻带屏蔽频带宽且抑制效果好；由于选用的蜂窝、泡沫介质均属于超轻材料，使频率选择雷达罩重量改变不大；由于结构相对简单，且较大的设计余量带来了较大的工艺允差，因此大大降低了工艺难度、周期及成本。

附图说明

图1是理想的频率选择雷达罩的“方形化”传输曲线。

图2是本发明用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩结构示意图。

图3是图2中A部分的局部放大示意图。

图4是本发明所述的柔性FSS薄膜层雪花环单元阵列的局部图。

图5是本发明用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩的设计曲线图。

图中：1、通带，2、阻带，3、原雷达罩，4、第一粘接介质层，5、低介电常数介质层，6、第二粘结介质层，7、柔性FSS薄膜层，8、入射角为0°的传输曲线，9、入射角为30°的传输曲线，10、入射角为60°的传输曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图2和图3所示，用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩，是采用某种工艺将第一粘接介质层4、超低介电常数介质层5、第二粘接介质层6和柔性FSS薄膜层7按原雷达罩3内表面尺寸成型，并层合构成FSS衬罩，再将FSS衬罩以某种工艺随形层合于原雷达3内表面构成，也可将原雷达罩3、第一粘接介质层4、超低介电常数介质层5、第二粘接介质层6和柔性FSS薄膜层7成型后一次性层合构成。

FSS阵列设计是根据通带及阻带透过率、带宽等具体技术指标对单元图形、尺寸，阵列周期，排布方式等多种参数优选获得。

超低介电常数介质层5为耐高温的蜂窝和泡沫材料。蜂窝通常采用芳纶纸蜂窝，按蜂窝孔径、密度、蜂窝壁厚等分为多种规格，其介电常数为1.04~1.2。泡沫分为多种材质，如PVC泡沫、PS泡沫、PUR泡沫、PEI泡沫和PMI泡沫，有的泡沫可直接热成型（如PMI泡沫），有的泡沫需要在模具内发泡成型（如PUR泡沫），泡沫的介电常数通常随密度改变，在1.04~1.5之间。

第一粘接介质层4和第二粘接介质层6主要是可用于雷达罩的树脂（环氧树脂、氰酸脂树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等）、预浸料（石英布/氰酸脂预浸料、芳纶纸/有机硅树脂等）及无基材胶膜介质（EVA、PE等热熔胶膜及非热熔耐高温树脂胶膜等），可根据雷达罩的耐温、耐腐蚀及机械性能等要求选择。

柔性FSS薄膜层7是在一定厚度（12.5~100um）、覆金属层的（Cu，Al，Au等）聚酰亚胺薄膜上采用某种工艺（印刷电路板工艺、光刻镀膜工艺、丝网印刷工艺等）制作优选单元（Y环、十字环、雪花环、圆环等）、设计尺寸、排列周期及排布方式（正方形排布、三角形排布等）的周期阵列结构。

泡沫介质需要采用某种工艺（热成型或发泡成型）预先成型为与原雷达罩随形的曲面，曲面可根据需要和实际情况分为若干部分。蜂窝介质的可变形量较大，尤其是在其厚度较薄时通常不需要预先成型。FSS柔性薄膜层7及两层粘接介质也不需要预先成型为曲面。将各层材料层合在一起或将FSS衬罩与原雷达罩层合在一起可采用真空袋法、模压法在烘箱或热压罐中进行。

下面以一具体实施例对本发明进一步详细说明。

用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩，壁厚25±1mm，介电常数3.2±0.1，要求设计制作的频率选择表面雷达罩在0~60°入射角范围内与原雷达罩3相比，通带Ku波段f₀处透过率较原雷达罩3下降不超过10%，阻带S波段较原雷达罩3下降超过20dB。

根据上述技术指标计算优化得到的最终设计结构如下：柔性FSS薄膜层7，其结构为雪花环单元，如图4所示，L1为外孔长，W1为外孔宽，L2为内贴片长，W2为内贴片宽，Dx为横向周期，Dy为纵向周期。L₁=4.9976mm，L₂=4.2036mm，W₁=1.26mm，W₂=0.5929mm，阵列周期Dx=Dy=6mm，排布方式为正方形排布。柔性FSS薄膜层7为聚酰亚胺薄膜，介电常数3.1，厚度25.4um。采用镀膜、光刻工艺进行FSS阵列制备，导电金属层为Cu，厚度10um。超低介电常数介质层5选用PMI泡沫，介电常数1.1，厚度3mm。第一粘接介质层4和第二粘接介质层6为耐高温有机硅树脂胶膜，介电常数2.9，厚度35um。

制作超低介电常数介质层5，将厚度为3mm的PMI泡沫板按照直锥形原雷达罩3内表面展开面积剪裁，并沿母线平均分成3片，首先在热风循环烘箱中150°C干燥3小时，再加热到190°C，保持3分钟后迅速转移到金属模具上热成型，待温度降至80°以下即可脱模，预成型完毕。

采用真空袋法将柔性FSS薄膜层7、第一粘接介质层（耐高温无基材胶膜）4、超低介电常数介质层（泡沫介质）5依次铺覆在金属模具外表面，尽可能平整，用真空胶条密封后抽真空并放入烘箱中固化，压力保持在-0.95个标准大气压以下，固化温度160°C，固化时间2小时，之后自然冷却至室温取出，FSS衬罩制作完毕。

将第二粘接介质层（耐高温无基材胶膜）6和FSS衬罩依次塞入原雷达罩3内部，用耐高温硅胶软模和真空胶条密封后抽真空，当压力降至-0.95MPa以下将其放入烘箱中固化。固化温度160°C，固化时间2小时，之后自然冷却至室温取出，用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩制作完成。

如图5所示，为本发明的设计曲线，其中入射角为0°的传输曲线8和入射角为30°的传输曲线9近“方形化”，通带平顶且透过率高，入射角为60°的传输曲线10虽然不是“方形化”曲线，但因原雷达罩3在该角度通带透过率非常低，因此其通带透过率也比原雷达罩高出20%以上，满足工程应用的技术指标。

Claims

1.一种高性能频率选择雷达罩，包括原雷达罩(3)，其特征在于，还包括第一粘接介质层(4)、超低介电常数介质层(5)、第二粘结介质层(6)和柔性FSS薄膜层(7)，所述超低介电常数介质层(5)、第二粘结介质层(6)和柔性FSS薄膜层(7)成型并从外到内层合成FSS衬罩，所述FSS衬罩层中超低介电常数介质层(5)通过第一粘接介质层(4)粘合于原雷达罩(3)内表面；第一粘接介质层(4)和第二粘结介质层(6)主要是树脂、预浸料或无基材胶膜介质；超低介电常数的介质层(5)为厚度不超过3mm、介电常数在1.04～1.5范围内的耐高温的蜂窝或泡沫材料；

该结构由下述方法制得：

制作超低介电常数介质层(5)，将厚度为3mm的PMI泡沫板按照直锥形原雷达罩(3)内表面展开面积剪裁，并沿母线平均分成3片，首先在热风循环烘箱中150℃干燥3小时，再加热到190℃，保持3分钟后迅速转移到金属模具上热成型，待温度降至80°以下即可脱模，预成型完毕；

采用真空袋法将柔性FSS薄膜层(7)、第二粘接介质层(6)、超低介电常数介质层(5)依次铺覆在金属模具外表面，尽可能平整，用真空胶条密封后抽真空并放入烘箱中固化，压力保持在-0.95个标准大气压以下，固化温度160℃，固化时间2小时，之后自然冷却至室温取出，FSS衬罩制作完毕；

将第一粘接介质层(4)和FSS衬罩依次塞入原雷达罩(3)内部，用耐高温硅胶软模和真空胶条密封后抽真空，当压力降至-0.95MPa以下将其放入烘箱中固化；固化温度160℃，固化时间2小时，之后自然冷却至室温取出，用于飞行兵器隐身的高性能频率选择雷达罩制作完成。

2.根据权利要求1所述的一种高性能频率选择雷达罩，其特征在于，所述第一粘接介质层(4)、超低介电常数介质层(5)、第二粘结介质层(6)和柔性FSS薄膜层(7)均按原雷达罩(3)内表面尺寸成型。

3.根据权利要求2所述的一种高性能频率选择雷达罩，其特征在于，所述原雷达罩(3)、第一粘接介质层(4)、超低介电常数介质层(5)、第二粘结介质层(6)和柔性FSS薄膜层(7)从外到内一次性层合在一起。