CN109755740A - 一种带阻型fss结构、fss屏及罩壁结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带阻型FSS结构、FSS屏及罩壁结构，所述的FSS结构由一层带阻形FSS单元结构构成，所述的FSS单元结构由多个偶极子复合而成，且所述的FSS单元结构采用正方形栅格周期排列。本发明且仅需一层FSS结构，可实现插入损耗小于1dB，带外频段具备强隐身隐身、陡截止特性，同时在宽入射角度范围内保持高稳定度；且FSS结构可通过调节单元尺寸、介质电参数和厚度来满足不同工作带宽的需求。

Description

一种带阻型FSS结构、FSS屏及罩壁结构

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种带阻型FSS结构、FSS屏及罩壁结构。

背景技术

20世纪90年代至今，机载雷达出现新特征：一是窄带到宽带的变化，国际上三代机装备的典型频带带宽在200～300MHz。四代机雷达的工作带宽达4GHz、8GHz、十几GHz、乃至更宽。二是透波兼隐身，四代机在具有高透波的前提下，明确提出了隐身(低RCS)的要求，即雷达罩要对雷达天线舱的强散射起到遮蔽作用。气动稳定性和阻力的改进确定为大长细比、带边条特征的尖削机头雷达罩外形设计，造成了电磁波的大入射角特性，这是四代机外形的典型特征，给雷达罩设计带来很大难度。FSS技术可实现电磁波的精确调控，相应的FSS雷达罩可同时具备透波、隐身性能，是传统介质罩的升级换代产品。

经典FSS结构验证了二维周期排列结构可实现电磁波的选择性透过、及特定频段电磁波的抑制特性，然而经典FSS单元结构很难同时在大入射角度范围内具备超宽带通带、低插入损耗、陡截止、强抑制的电磁响应特性，其通带带宽往往在2GHz以内具备低损耗特性，但陡截止特性较差。在实际工程化应用中，对通带特性、截止特性、隐身特性均具有极其苛刻要求，目前常通过多层FSS结构级联技术来拓宽通带带宽、实现陡截止特性，而考虑到实际的工艺成型技术，即实际工艺成型中要求上下层FSS单元结构要求精准对齐，操作时几乎很难控制精度；因此，往往要求FSS结构的层数尽量少，层数越少，在实际工程应用中成熟度越高，操控精确，然而，层数少的话，要实现与多层FSS相同的带宽、损耗、陡截止等电指标，存在很大的困难。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的目的在于克服传统介质雷达罩无法在特定宽频段内具备高透波性能，以及介质雷达罩易造成的强散射特性，提供了一种带阻型FSS结构、FSS屏及罩壁结构，可在宽频段内具备高透波、带外波段具备强隐身、陡截止功能。

本发明的技术解决方案：

一方面，本发明提供一种带阻型FSS结构，其中，所述的FSS结构由一层带阻形FSS单元结构构成，所述的FSS单元结构由多个偶极子复合而成，且所述的FSS单元结构采用正方形栅格周期排列。

进一步的，所述的FSS单元结构具体为：由十字二阶分形贴片结构内部复合井字形贴片结构组成，且两种单元结构的中心重合；

另一方面，本发明还提供一种FSS屏，基于上述FSS结构，采用镀膜、光刻的方法在聚酰亚胺基底上制备得到单层FSS屏，具体的制备方法为本领域公知的技术，在此不再赘述；

进一步的，本发明提供一种罩壁结构，采用单层FSS屏的实芯壁结构方式，将单层FSS屏固化于蒙皮材料内；

进一步的，所述的蒙皮采用高介电常数的复合材料；

进一步的，本发明还提供上述罩壁结构的设计方法，包括：

一、确定天线罩材料和罩壁厚度最小值；

该步骤可采用本领域常规的手段获得，具体为：

根据指标要求，选用本发明FSS结构方案；

将飞行速度和飞行高度设计指标作为输入数据，采用Fluent商用软件包计算雷达天线罩需要承受的最高温度和最大载荷力，进而以耐热性能为依据对天线罩材料进行选择，以承力情况为依据确定罩壁厚度最小值，保证最终天线罩壁厚度要大于该最小值；

二、罩壁结构设计；

所述的罩壁结构设计为实芯壁结构，其中，将单层FSS屏固化于蒙皮材料内；所述的FSS屏中，其中的FSS单元结构由多个偶极子复合而成，具体结构为：由十字二阶分形贴片结构内部复合井字形贴片结构组成，且两种单元结构的中心重合；

该步骤中，FSS单元结构选用带阻型；

该步骤中，所述的内外蒙皮为高介电常数的复合材料，可采用本领域公知的材料，例如石英纤维材料等；

本发明通过设计FSS单元结构，使得仅选用1层FSS屏即可实现所需效果，且保证FSS雷达罩成型工艺高成熟度；

三、FSS结构仿真分析：

该步骤可采用本领域公知的技术，具体为：

在电磁仿真软件内建立FSS结构模型，包括1层FSS单元结构、蒙皮材料；

在建立的模型中准确输入蒙皮材料的电参数，如介质常数、损耗角正切值等；

运算分析1层FSS单元的尺寸、周期排布参数以及各层介质厚度等参数，以满足多种响应特性，完成超宽通带/隐身结构设计，且可以通过调节相应参数，将超宽带带宽根据需求进行调整，满足超宽带带宽范围内的电性能需求。

本发明相比于现有技术的有益效果：

本发明提供一种带阻形FSS结构，利用带阻型FSS电磁响应原理，提出一种宽通带内高透波的单元结构，且仅需一层FSS结构，可实现插入损耗小于1dB，带外频段具备强隐身隐身、陡截止特性，同时在宽入射角度范围内保持高稳定度；且FSS结构可通过调节单元尺寸、介质电参数和厚度来满足不同工作带宽的需求。具体的：

(1)本发明提供的FSS结构，在0～60°大入射角度范围内具备高稳定的超宽通带高透波、ku波段具备隐身电磁响应特性，满足了航空领域雷达探测、通信的需求；

(2)本发明提供的FSS结构，可实现在带宽高达10GHz时，插入损耗小于1dB，具备高透波性，且在带外具备强隐身、陡截止特性。

(3)本发明仅采用1层FSS周期排列结构，实现了在宽入射角度范围内有超宽通带、高透波、强隐身、陡截止的电磁稳定性，电结构设计方案有效、工艺成熟度高，可满足卫通天线罩、吊舱天线罩在实际工程上应用，且通过设计FSS单元结构，使得仅选用1层FSS屏即可实现所需效果，且保证FSS雷达罩成型工艺高成熟度；

(4)本发明可通过设计的FSS单元结构可通过调节FSS单元尺寸、介质板电参数及厚度，可实现宽带、超宽带的工作带宽设计、隐身性能设计，以满足不同工程需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的FSS单元结构示意图；

图2是本发明实施例提供的罩壁结构示意图，其中1为蒙皮材料，2为FSS屏；

图3是本发明实施例的FSS单元排列方式；

图4.是本发明实施例提供的宽通带、陡截止、阻带电磁响应特性。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

参见附图1，本实施方式为一种带阻形FSS结构，其中，所述的FSS结构由一层带阻形FSS单元结构构成，所述的FSS单元结构由多个偶极子复合而成，具体为：由十字二阶分形贴片结构内部复合井字形贴片结构组成，且两种单元结构的中心重合，且所述的FSS单元结构采用正方形栅格周期排列。

优选的，参见图3，FSS单元结构均采用正方形栅格周期排列。

进一步的，参见图2，本发明实施例提供一种罩壁结构，采用单层FSS屏的实芯壁结构方式，将单层FSS屏固化于蒙皮材料内；其中1为蒙皮材料，2为FSS屏；

所述的FSS屏，基于上述FSS结构，采用镀膜、光刻的方法在聚酰亚胺基底上制备得到单层FSS屏，具体的制备方法为本领域公知的技术，在此不再赘述；

进一步的，本发明提供进一步的，本发明实施例还提供一种罩壁结构的设计方法，包括：

确定天线罩材料和罩壁厚度最小值；

以某雷达罩为例，其电性能设计指标要求为：在0～60°入射角度范围内，20～30GHz频段内插入损耗≦1dB，带外17.0GHz频点处插入损耗≧10dB；

经分析，该技术要求为工作带宽为10GHz的宽通带、且具备阻带抑制特性，介质雷达罩无法具备隐身功能，且经典FSS结构也很难满足宽通带、陡截止抑制的一体化设计，需进行宽通带透波/隐身的一体化雷达罩设计；将飞行速度和飞行高度设计指标作为输入数据，采用Fluent商用软件包计算雷达天线罩需要承受的最高温度和最大载荷力，进而以耐热性能为依据对天线罩材料进行选择，以承力情况为依据确定罩壁厚度最小值，保证最终天线罩壁厚度要大于该最小值，其中：

该雷达罩结构采用单层FSS的实芯壁结构，蒙皮材料选用材料为石英纤维/氰酸酯树脂材料，其厚度不小于3mm。

罩壁结构设计；

所述的结构为单层带阻型FSS的实芯壁罩壁结构，蒙皮为高介电常数的石英纤维材料/氰酸酯树脂，单层FSS屏需固化在蒙皮中间，FSS单元结构为多偶极子复合而成，具体结构示意图见图1和3；

FSS结构仿真分析；

在专业电磁仿真软件内建立宽通带FSS结构模型，包括1层FSS单元结构、蒙皮材料等，在建立的模型中准确输入各层介质的电参数，如介质常数、损耗角正切值等。经过优化分析可得，宽通带/隐身的稳定性与单元宽度d密切相关，以宽度d为基准，相关参数可表示为：a＝19d～21d，b＝12d～14d，c＝5d～7d，e＝20d～22d，d的取值范围为【0.18,0.22】，FSS单元厚度为0.018mm，每层介质的厚度均用H表示，其中H1＝2.0mm，H2＝2.0mm。

为了对本发明有更进一步的了解，下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。

实施例1

当d＝0.18mm时，FSS单元其余参数均取其范围内的最小值，最终结构为a＝19d＝3.42mm，b＝12d＝2.16mm，c＝5d＝0.9mm，e＝20d＝3.6mm，宽通带FSS结构在20～30GHz超宽频带内插入损耗小于1dB，在17.0GHz频点处插入损耗大于10dB，具体结果如下图4所示。

实施例2

当d＝0.22mm时，FSS单元其余参数均取其范围内的最大值，最终结构为a＝21d＝4.62mm，b＝14d＝3.08mm，c＝7d＝1.54mm，e＝22d＝4.84mm，宽通带FSS结构在20～30GHz超宽频带内插入损耗小于1dB，在17.0GHz频点处插入损耗大于10dB，具体结果如下图4所示。

当d取值范围为【0.18,0.22】，FSS单元的其它参数a＝19d～21d，b＝12d～14d，c＝5d～7d，e＝20d～22d，单调增大或减小时，FSS结构均具有宽通带高透波、带外强隐身、陡截止的电磁响应特性。

本实施方式提供的带阻型FSS结构，由设计结果可知：本发明的FSS结构能够在20～30GHz超宽频带内插入损耗小于1dB，在17.0GHz频点处插入损耗大于10dB的电磁响应特性，且具备大入射角范围的高稳定特性；本发明的FSS单元结构可通过调节FSS单元尺寸、介质板电参数及厚度，可实现窄带、宽带、超宽带的工作带宽设计、隐身性能设计，以满足不同工程需求。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种带阻型FSS结构，其特征在于：所述的FSS结构由一层带阻形FSS单元结构构成，所述的FSS单元结构由多个偶极子复合而成，且所述的FSS单元结构采用正方形栅格周期排列。

2.根据权利要求1所述的一种带阻型FSS结构，其特征在于，所述的FSS单元结构具体为：由十字二阶分形贴片结构内部复合井字形贴片结构组成，且两种单元结构的中心重合。

3.一种FSS屏，基于权利要求1-2所述的FSS结构，采用镀膜、光刻的方法在聚酰亚胺基底上制备得到单层FSS屏。

4.一种罩壁结构，采用单层FSS屏的实芯壁结构方式，将权利要求3所述的单层FSS屏固化于蒙皮材料内。

5.根据权利要求4所述的所述的罩壁结构，所述蒙皮采用高介电常数的复合材料。

6.根据权利要求4-5所述的一种罩壁结构的设计方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

一、确定天线罩材料和罩壁厚度最小值；

二、罩壁结构设计；

所述的罩壁结构设计为实芯壁结构，其中，将单层FSS屏固化于蒙皮材料内；所述的FSS屏中，其中的FSS单元结构由多个偶极子复合而成，具体结构为：由十字二阶分形贴片结构内部复合井字形贴片结构组成，且两种单元结构的中心重合；

三、FSS结构仿真分析。