CN105186131A - 多层fss天线罩抗介质衬底分层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，在天线罩铺层前，对聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化及喷涂氰酸酯树脂进行增粘处理；定量描述固化工艺参数对内部应力的影响，建立多层频率选择表面隐身天线罩内部应力与固化工艺参数的关系模型，然后将聚酰亚胺频率选择表面制成预浸料；按多层频率选择表面隐身天线罩的电路设计要求进行频率选择表面和复合材料介质层铺层序列设计，按铺层序列进行铺层；铺层完成后进行热压罐成型固化。本发明弥补了传统方法铺层时聚酰亚胺频率选择表面与介质层预浸料铺层时易裹入气泡的缺陷，解决了介质层成型时气泡受频率选择表面阻挡不能排除，会发生分层的问题。

Description

多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，特别是关于多层频率选择表面天线罩成型时的防分层方法。

背景技术

天线是卫星的强散射源,降低天线的RCS是卫星隐身设计的重要研究课题之一。由于雷达天线系统自身工作的特点,它必须保证自身雷达波的正常接收和发射,常用的隐身措施无法简单地在雷达天线隐身中获得应用。采用频率选择表面(FSS)技术与天线罩技术相结合形成FSS天线罩,可以使天线罩获得频率选择的功能，即FSS天线罩对雷达的工作频段提供带通的传输特性,同时改变雷达工作频段以外的雷达散射截面(RCS)特性,可以实现带外隐身。天线罩及雷达舱内高频部件组成的雷达天线系统是飞行器头部区域的一个强散射源,其隐身效果直接影响飞行器的隐身效果。设计天线罩壁,包括各层介质的介电常数、厚度等。然后设计附着在罩壁上的FSS屏。进一步制作天线罩实物。目前用来减小飞行器雷达散射截面(RCS)的途径有两种:一是低RCS外形设计；二是雷达吸波涂料技术。在影响RCS的因素中，机头的雷达天线是一个大的散射源，而常规的介质雷达罩并不能减少这种散射。而且常规的介质天线罩无法实现RCS减缩的功能。利用FSS与介质构成的混合天线罩则能克服上述缺陷。频率选择表面FSS是一种二维周期性的平面阵列结构，其对不同频段的入射电波具有选择性的反射或透射特性。典型的频率选择表面是由无源的金属贴片或印刻在金属面上的孔隙周期性排列的缝隙构成的。对于各种不同类型的FSS,基本上都包含一层或多层介质层,其中各个介质层的介电参数及其厚度对整个FSS的散射特性都具有重要的影响。当将这种周期结构放置于空间中时，其对通过其表面传输的电磁波起到空间滤波的效果。频率选择表面简单的讲就是一种电磁滤波器，它能让有用的电磁波通过，让不想要的波反射掉，或者相反。通常，频率选择表面在其谐振频率处对电磁波有全反射或全透射的作用。在工程应用中，频率选择表面通常需要两侧有介质板支撑。频率选择表面是由大量按周期排列的导体贴片单元或开孔导电薄膜单元组成的二维平面或曲面。频率选择表面结构能有效地控制电磁波的反射和传输特性，具有让特定频率的电磁波进入或排除的功能，对带通频率内的电磁波透射和反射具有良好的选择性。由于频率选择表面的滤波特性，使得频率选择表面的应用范围十分广泛，其研究领域也已遍及微波、红外以及光波等波段。另外，在雷达目标隐身技术中，由于频率选择表面能有效衰減入射波，且能将进入材料内部的反射波陷住，对带阻频率内的电磁波呈全反射特性，具有吸收电磁波和空间滤波功能。利用介质衬底结合频率选择表面的频率选择特性制成天线罩，既可以保证天线带内工作特性不受影响，也可以抑制带外电磁波，实现天线隐身。如前文所述，频率选择表面是一种可实现空间滤波功能的周期结构。频率选择表面的单元可以分为贴片单元和缝隙单元两种。其中贴片单元构成的频率选择表面可以实现带阻作用，缝隙单元构成的频率选择表面可以实现带通作用。当FSS处于谐振状态时，入射电磁波发生全反射单元为贴片型或全透射单元为缝隙型。在频率选择表面的设计当中，主要需要考虑的特性有：谐振频率，带宽，频率稳定性，入射角稳定性，反射系数，透射系数，反射相位，透射相位等等。常用的频率选择表面单元可以分为环形单元，中心连接型单元以及板式单元等。常见的环形单元有方环，圆环，多边形环等。常见的中心连接型单元有三极子单元，耶路撒冷单元等。常见的板式单元有方形板，圆形板和多边形板等。不同结构的单元具有不同的谐振特性及相位特性。不同单元具有各自优势，如何选取取决于实际应用的需求。影响频率选择表面谐振特性的因素除了单元的形状之外，还包括了阵列排布方式，单元间距等这些因素。通常使用的频率选择表面都是矩形阵列排布并且单元间等间距。不同的排列形式会影响单元之间的耦合，从而改变频率选择表面的谐振特性。有时也可以通过优化排列形式和单元间距来改善频选的特性，比如增加频选的入射角稳定性，极化稳定性等。在实际应用中FSS通常需要依附于介质上或镶嵌于两层介质当中以提高稳定性及获得支撑作用。除了单层的FSS之外，有时候因为带宽的需要会将多层FSS级联使用。与单层的FSS相比，多层FSS可以提供多个谐振点从而增加带宽。双层或多层频率选择表面的频率响应曲线具有宽带宽和陡降截止的特性,即具有比一般单层频率选择表面更稳定的中心频率和更加陡峭的边缘特性。双层或多层频率选择表面可以实现多频工作,但增加了整个器件的体积和重量,并且制造比较复杂。在国外,双层或多层频率选择表面的理论比较成熟,并已经在工程上得到了实际的应用,但涉及具体制作过程，国外文献很少对双层或多层频率选择表面的研究成果进行具体的讨论,只对多层频率选择表面的理论分析方法进行了报道。国内学者基本上只对双层频率选择表面进行了理论分析,没有进行深入的研究,多层频率选择表面的研究几乎没有。双层或多层频率选择表面的研究除了单层频率选择表面需要研究的参数外,需要对双层或多层频率选择表面的排列对准和频率选择表面中间介质的优选等参数一并进行设计分析。在制造过程中，双层或多层频率选择表面层间脱粘、层内空腔增加了制造难度，影响了频率选择表面的电性能，特别是频率选择表面材料和介质层材料的膨胀系数的差异，共固化成型过程中产生内应力容易引起频率选择表面材料和介质层分层；同时成型时多层频率选择表面将介质层的铺层分割开来，聚酰亚胺材质的频率选择表面类似一层不透气的薄膜，阻止了固化时树脂的上下流动，且成型过程内部铺层时聚酰亚胺与预浸料不相粘，铺层时易带入空气，带入的空气也不能透过聚酰亚胺材质的频率选择表面排除，排气不畅带来频率选择表面层与介质层分层、介质层厚度不均等问题，进而影响频率选择表面的电性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在上述缺陷。提供一种不改变频率选择表面层与介质层成型工艺流程，可操作性强，解决层间不匹配介质问题的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法。该方法可以避免因聚酰亚胺与预浸料不相粘，铺层时易带入的空气且不能透过排除，排气不畅带来频率选择表面层与介质层分层、介质层厚度不均等问题。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

在天线罩铺层前，对聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化及喷涂氰酸酯树脂进行增粘处理；定量描述固化工艺参数对内部应力的影响，建立多层频率选择表面隐身天线罩内部应力与固化工艺参数的关系模型，由下列公式计算给出内部应力R1与固化温度T、固化时间t和固化压力P关系：

$\begin{array}{c}{R}_1=66.4066-\[0.000162478,0.69008000,0.64611700\]\×{\[P,T,t\]}^T\\ +\[P,T,t\]\×\left[\begin{array}{ccc}-4.79641e-8,& 0,& 0\\ 0,& 0.00186292,& 0\\ 0,& 0.00356942,& 0.00434371\end{array}\right]\×{\[P,T,t\]}^T\end{array},$

然后将聚酰亚胺频率选择表面处理成“预浸料”；按多层频率选择表面隐身天线罩的电路设计要求进行频率选择表面和复合材料介质层铺层序列设计，按铺层序列进行铺层；铺层完成后进行热压罐成型固化。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明通过分析氰酸酯树脂的固化过程，建立多层频率选择表面隐身天线罩内部应力与固化工艺参数的关系模型，根据模型优化氰酸酯树脂的固化工艺参数；定量描述了固化工艺参数对内部应力的影响，为工艺参数的优化提供了依据。避免了频率选择表面材料和介质层材料的膨胀系数的差异的影响。

可操作性强，同时又不改变频率选择表面层与介质层分层成型工艺流程。本发明在天线罩铺层前，对聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化及喷涂氰酸酯树脂进行增粘处理，将聚酰亚胺频率选择表面制成预浸料；按多层频率选择表面隐身天线罩的电路设计要求进行铺层序列设计，按铺层序列进行铺层，获得的具有超高选择特性的频率选择表面，避免了聚酰亚胺与预浸料不相粘，铺层时易带入的空气，带入的空气不能透过排除，排气不畅带来频率选择表面层与介质层分层、介质层厚度不均等问题。铺层完成后进行热压罐成型固化，而后有效地避免因加工精度有限而无法制作的问题，有效实现了频率选择表面和复合材料介质层相结合进行一体化的多功能集成。

本发明通过对聚酰亚胺频率选择表面进行处理，将聚酰亚胺处理成“预浸料”，作为介质层的预浸料铺层引入到频率选择表面，有效的实现了双层或多层频率选择表面的集成，铺叠时可防止聚酰亚胺频率选择表面与介质层铺层之间夹气泡，获得了较窄的频带间隔，并且可不用成型后厚度不易控制和介电损耗较大的纯树脂胶膜，避免介质层的厚度和厚度均匀性不易受控，影响天线罩的电性能，使其具有更好选择特性和更小频率间隔的频率选择表面，得到的这种频率选择表面相比于传统结构的频率选择表面具有以下优点：通带更为平坦、插入损耗小、选择特性更高、性能对于入射波极化状态的变化和入射角度的变化非常稳定，能够有效的抑制频率选择表面内部的表面波和栅瓣的传播，而且物理概念清晰。

本发明弥补了传统方法铺层时聚酰亚胺频率选择表面与介质层预浸料铺层时易裹入气泡的缺陷，解决了介质层成型时气泡受聚酰亚胺频率选择表面阻挡不能排除，导致成型后频率选择表面与介质层结合强度不足，在使用过程中发生分层的问题。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

图1是本发明多层FSS天线罩抗介质衬底分层的工艺流程示意图。

图2显示的是一个四层频率选择表面平面天线罩实施例示意图。

具体实施方式

下面将选择采用四层频率选择表面的天线罩作为实施例对本发明作进一步的说明。

参阅图1图2。根据本发明，多层频率选择表面隐身天线罩的频率选择表面基材为聚酰亚胺。多层频率选择表面隐身天线罩的介质层材料为石英纤维布增强氰酸酯树脂复合材料。

在天线罩铺层前，对聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化及喷涂氰酸酯树脂进行增粘处理；聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化处理的气体为O₂，处理功率2.5Kw～4Kw，处理时间30min～50min。处理后聚酰亚胺频率选择表面出现活性基团，增加了表面能量，心迹了表面的化学特性，增强了表面附着力、粘结力。分析氰酸酯树脂的固化过程，定量描述固化工艺参数对内部应力的影响，建立多层频率选择表面隐身天线罩内部应力与固化工艺参数的关系模型，根据模型优化氰酸酯树脂的固化工艺参数为：固化温度120℃～130℃，固化时间150min～240min，固化压力为0.3MPa～0.6MPa。通过下列公式计算给出内部应力与固化温度、固化时间和固化压力关系：

$\begin{array}{c}{R}_1=66.4066-\[0.000162478,0.69008000,0.64611700\]\×{\[P,T,t\]}^T\\ +\[P,T,t\]\×\left[\begin{array}{ccc}-4.79641e-8,& 0,& 0\\ 0,& 0.00186292,& 0\\ 0,& 0.00356942,& 0.00434371\end{array}\right]\×{\[P,T,t\]}^T\end{array}$

式中，P：压力，T：温度，t：时间，R1为内部应力，单位为MPa。然后将聚酰亚胺频率选择表面制成预浸料；在处理好后的聚酰亚胺频率选择表面进行喷涂介质层树脂基体相同的氰酸酯树脂胶液，喷涂胶液的厚度控制在100±20μm，晾置12h～24h，待溶剂挥发。喷涂氰酸酯树脂胶液的聚酰亚胺频率选择表面实现了增粘，成为了一片“预浸料”。

按多层频率选择表面隐身天线罩的电路设计要求进行频率选择表面和复合材料介质层铺层序列设计，按铺层序列进行铺层；按铺层序列进行铺层，铺层时赶尽层与层之间气泡；铺层完成后进行热压罐成型固化。固化工艺参数为：固化温度120℃～130℃，固化时间150min～240min，固化压力为0.3MPa～0.6MPa。

Claims (7)

1.一种多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

在天线罩铺层前，对聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化及喷涂氰酸酯树脂进行增粘处理；定量描述固化工艺参数对内部应力的影响，建立多层频率选择表面隐身天线罩内应力与固化工艺参数的关系模型，由下列公式计算给出内应力R1与固化温度T、固化时间t和固化压力P关系：

然后将聚酰亚胺频率选择表面制成预浸料；按多层频率选择表面隐身天线罩的电路设计要求进行频率选择表面和复合材料介质层铺层序列设计，按铺层序列进行铺层；铺层完成后进行热压罐成型固化。

2.按权利要求1所述的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，多层频率选择表面隐身天线罩的频率选择表面基材为聚酰亚胺。

3.按权利要求1所述的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，多层频率选择表面隐身天线罩的介质层材料为石英纤维布增强氰酸酯树脂复合材料。

4.按权利要求1所述的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，其特征在于，聚酰亚胺频率选择表面进行等离子活化处理的气体为O₂，处理功率2.5Kw～4Kw，处理时间30min～50min。

5.按权利要求1所述的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，其特征在于，根据模型优化氰酸酯树脂的固化工艺参数为：固化温度120℃～130℃，固化时间150min～240min，固化压力为0.3MPa～0.6MPa。

6.按权利要求1所述的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，其特征在于，在处理好后的聚酰亚胺频率选择表面进行喷涂介质层树脂基体相同的氰酸酯树脂胶液，喷涂胶液的厚度控制在100±20μm，晾置12h～24h，待溶剂挥发。

7.按权利要求1所述的多层FSS天线罩抗介质衬底分层的制备方法，其特征在于，固化工艺参数为：固化温度120℃～130℃，固化时间150min～240min，固化压力为0.3MPa～0.6MPa。