CN117039454A - 一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道 - Google Patents
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Abstract
本发明一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道，属于进气系统隐身技术领域；吸波格栅包括多个交叉设置的长条状FSS多层耦合结构，所述长条状FSS多层耦合结构的上层为频率选择表面FSS层、中层为合成树脂PR层、下层为频率选择表面FSS层；位于上层和下层的FSS层均由多个沿PR层长度方向均布的金属方框构成，且上、下层的金属方框一一对应设置。通过对吸波格栅结构与参数进行合理设计及优选，可在较宽的入射波频率范围内，提高进气道的屏蔽能力，并改变进气道前向电磁散射特征，大幅降低其RCS，进而提升飞行器雷达隐身性能。
Description
技术领域
本发明属于进气系统隐身技术领域，具体涉及一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道。
背景技术
雷达探测由于其探测距离远，穿透能力强，不容易受到天气、湿度以及温度等环境因素的影响，已成为目前防空系统以及作战飞机的主要探测方式。为应对日益高效的雷达探测系统，设计能够满足各种作战需求的高隐身性能作战飞机和无人机，已经成为世界各国军事领域的重要研究课题。进气道是飞行器的重要组成部件，是一种典型的腔体结构，其雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)的大小直接影响飞行器的雷达隐身性能。一般进气道可占到飞机前向区域雷达散射截面积的40％～60％，直接关系到整机突防方向的隐身水平，为提高飞机战场生存力，需要控制和缩减其雷达特征信号。
在进气道进口安装进气格栅是一种常用于进气道腔体雷达隐身设计的方法。加装进气格栅可以避免雷达波照射到腔体内部，有效地减少了由进气道腔体及压气机叶片所产生的强反射信号；同时迫使电磁波在格栅和进气道之间发生多次反射，降低回波强度。美国的F-117和RQ170飞机是进口格栅的典型应用，其中F-117的格栅网采用吸波复合材料制备。其余大多数进口格栅为金属材质，或在其表面涂覆吸波材料，上述进气格栅通常重量大、吸收率低、使用频带较窄，较难满足飞机隐身设计需求，亟需寻求新型的适用于进气格栅的材料和结构。
现有技术公开的格栅进口进气道，能够提升飞机整体的隐身效果，但由于该进气道的进口格栅材质均为金属，重量较大。将带有金属格栅的进气道与飞机安装会增加飞机自身的重量，影响其飞行能力，导致任务载荷降低和作战半径缩短。此外，金属格栅一般只能通过改变格栅孔隙度和格栅厚度更改其吸波特性，上述参数由于进气道形状和空间限制，可调范围较小。因此亟需一种轻质化和工作频带可调的吸波格栅结构，在减轻吸波格栅重量的同时，降低进气道在多个电磁波频带的雷达散射截面，进一步提高其雷达隐身性能。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道，具体采用在FSS表面加载集总元件及多层耦合的方式设计了一种适用于飞行器进气道的吸波格栅，其结构可与进气道进口端面连接，以此改善所述进气道的电磁散射特性，起到缩减其雷达散射截面积的目的。本发明解决了现有技术中金属吸波格栅重量较大、吸收率低、使用频带较窄的问题。
本发明的技术方案是：一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：包括多个交叉设置的长条状FSS多层耦合结构，所述长条状FSS多层耦合结构的上层为频率选择表面FSS层、中层为合成树脂PR层、下层为频率选择表面FSS层；位于上层和下层的FSS层均由多个沿PR层长度方向均布的金属方框构成，且上、下层的金属方框一一对应设置。
本发明的进一步技术方案是：多个所述长条状FSS多层耦合结构横纵交叉设置，保证相邻长条状FSS多层耦合结构相互垂直，形成若干截面为正方形的环形方腔，单个环形方腔为方腔单元；所述方腔单元的四个周壁面两侧中心处均设置有一个金属方框。
本发明的进一步技术方案是：所述方腔单元的长、宽、高均一致。
本发明的进一步技术方案是：所述金属方框为“日”字形，其中“日”字形水平横线的中心处设置有集总电阻，其宽度与金属方框宽度一致。
本发明的进一步技术方案是：所述集总电阻焊接于金属方框的水平横线上。
本发明的进一步技术方案是：所述金属方框位于PR层上下表面宽度方向的中部，采用印刷电路板技术印刷于PR层的双面。
本发明的进一步技术方案是：所述金属方框的外边长m＝8mm，各边宽度相等,均为w＝0.5mm，“日”字形的三条水平横线之间间距q＝3.25mm；所述集总电阻15的长度p＝1mm，阻值为R＝300Ω/m2。
本发明的进一步技术方案是：所述合成树脂PR层的厚度为d＝1mm，其介电常数为εr＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.025。
一种带有加载集总电阻吸波格栅的制备方法，其特征在于：
制备长条状FSS多层耦合结构；所述长条状FSS多层耦合结构的长度方向相邻金属方框之间均开有条状单元凹口；且所述凹口的长度方向垂直于长条状FSS多层耦合结构的长度方向，
将多个长条状FSS多层耦合结构通过条状单元凹口进行插接，构成带有加载集总电阻吸波格栅。
一种进气道，其特征在于：所述进气道的进口平面设置有带有加载集总电阻吸波格栅，所述吸波格栅的外周面与进气道的内壁面固连。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种带有加载集总电阻吸波格栅，有多个长条状FSS多层耦合结构相互连接形成吸波格栅的若干方腔单元。当电磁波入射到各所述方腔单元腔体内部，尤其是所述FSS层与所述PR介质层的分界面时，金属导体中的自由电子会发生集体震荡，交界面处的电磁场强达到峰值，能量沿着表面传播并被完全束缚在交界面附近，从而实现吸波效果。
本发明的进气道相较于单独进气道，进气道进口加装吸波格栅可以避免雷达波照射到腔体内部，减少了由进气道腔体及压气机叶片所产生的强反射信号，同时迫使电磁波在格栅和进气道之间发生多次反射，降低回波强度。可大幅度缩减进气道的雷达散射截面积。其次，加载集总电阻的吸波格栅材质大部分为树脂介质，密度比一般金属材料小，因此对比金属格栅或表面涂覆有吸波涂层的金属格栅，其质量较轻。同时加载集总电阻的FSS多层耦合结构具有常规金属材料所不具备的负电磁参数等属性，电磁波反射率较低，可通过设计和更改多层耦合结构的几何参数，降低特定电磁波探测频率和带宽下进气道的雷达散射截面积。
本发明带有集总电阻的“日”字形金属方框可提升飞机典型探测波段吸波能力，同时尽可能少的增加重量和进气道的入口气动损失。
附图说明
图1是带有加载集总电阻吸波格栅的进气道三维轴测示意图；
图2是吸波格栅整体结构示意图；
图3是长条状FSS多层耦合结构示意图；
图4是吸波格栅方腔单元示意图；
图5是加载集总电阻多层耦合结构侧视图；
图6是加载集总电阻多层耦合结构俯视图；
图7是吸波格栅与进气道安装边局部示意图
图8是实验测试获得的10GHz入射频率垂直极化方式下，不同类型进气道前向-40°～40°探测角范围RCS分布曲线；
图9是实验测试获得的10GHz入射频率水平极化方式下，不同类型进气道前向-40°～40°探测角范围RCS分布曲线；
图10是实验测试获得的3GHz入射频率垂直极化方式下，不同类型进气道前向-40°～40°探测角范围RCS分布曲线；
图11是实验测试获得的15GHz入射频率垂直极化方式下，不同类型进气道前向-40°～40°探测角范围RCS分布曲线；
附图标记说明：1.加载集总电阻的吸波格栅，2.进气道11.长条状FSS多层耦合结构凹口，12.吸波格栅方腔单元，13.FSS层，14.合成树脂层，15.集总电阻，16.进口格栅最外层结构。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
基于现有技术的进气道格栅采用铝合金等金属，存在重量较大、吸收率低、使用频带较窄，难以满足预期的隐身设计需求等问题。本发明提出一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道，所述吸波格栅位于所述进气道进口平面。所述吸波格栅整体呈现周期性方腔交叉阵列结构，形成的每一个方腔单元的长、宽、高均一致。
本发明一种带有加载集总电阻吸波格栅，包括多个交叉设置的长条状FSS多层耦合结构，所述长条状FSS多层耦合结构的上层为频率选择表面FSS层、中层为合成树脂PR层、下层为频率选择表面FSS层；位于上层和下层的FSS层均由多个沿PR层长度方向均布的金属方框构成，且上、下层的金属方框一一对应设置。其中，频率选择表面(FrequencySelective Surface,FSS)是一种空间电磁波调控周期阵列，由于其独特的空间电磁波调控能力，且具有轻薄、体积结构小、宽频吸收等优点，已经被应用于天线罩、天线反射器、吸收体等雷达隐身设备,均获得较好的结果。有学者将集总电阻加载到FSS偶极子中心，进一步提升了吸收带宽和角度稳定性，可见FSS在缩减目标雷达散射截面积方面具有较大潜力。
本发明所述吸波格栅属于一种三维频率选择吸收器，其工作原理是将波导结构与FSS相结合，利用两者互补的谐振特性，尽可能地扩宽吸波格栅的工作频带，同时减少对邻近结构，有利于吸波格栅的小型化设计。
以下参照附图对上述技术方案进行进一步说明。
实施例：
本实施例一种带有加载集总电阻吸波格栅的进气道，主要包括进口吸波格栅及进气道两部分，下面参照附图1-11详细描述本发明。
所述带有加载集总电阻吸波格栅的进气道整体结构图如附图1所示，具体为所述吸波格栅1四周最外侧与所述进气道2入口内壁面相连，所述吸波格栅1的前端面与所述进气道进口端面平齐。可选地，所述进气道2为矩形方腔结构，其长、宽、高分别为L＝600mm，W＝240mm，H＝240mm。可选地，所述进气道2的材质为不锈钢。
参考附图2和3，所述吸波格栅2整体为周期性十字交叉阵列结构。所述吸波格栅2由多个长条状FSS多层耦合结构通过凹口11拼接而成。通过所述凹口11连接的相邻所述长条状FSS多层耦合结构互相垂直。所述长条状FSS多层耦合结构有三层结构，最顶层为FSS金属方框层13，中间层为合成树脂PR层14，最底层也为FSS金属金属方框层13。可选地，所述FSS金属方框层13的主要材质为铜。
参考附图4，所述长条状FSS多层耦合结构相互插接形成所述吸波格栅方腔单元12。由于设计的所述吸波格栅方腔单元12相邻两壁面互相垂直，因此，当电磁波入射到各所述方腔单元12腔体内部，尤其是所述FSS层与所述PR介质层的分界面时，金属导体中的自由电子会发生集体震荡，交界面处的电磁场强达到峰值，能量沿着表面传播并被完全束缚在交界面附近，从而实现吸波效果。对于入射电磁波的TE和TM模式，在所述FSS金属层与所述PR层分界面上均能感应出极化电荷。优选地，所述方腔单元12为正方体结构，其长、宽、高分别为a＝b＝c＝10mm。
参考附图5，加载集总电阻多层耦合结构包括三层：最顶层为FSS金属方框层13，中间层为合成树脂PR层14，最底层也为FSS金属方框层13，所述多层耦合结构沿中间PR层对称。具体采用印刷电路板技术将所述金属方框层13印刷在所述合成树脂PR层14双面正中间位置，再将0402型集总电阻16焊接在金属线框上。优选地，所述合成树脂PR层14厚度d＝1mm，其介电常数为εr＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.025。
根据FSS的设计理论，首先在矩形金属方框的边框处加入集总电阻，进而通过优化设计在带有集总电阻矩形金属方框结构上增加并联支路，提高了吸波格栅在飞机常用电磁波探测频率L～X波段的吸波能力。进一步增加并联支路，吸波格栅的吸波效果增加不明显，但较大程度的加重了带有吸波格栅的进气道重量，同时诱发气流吸波格栅表面产生较多流向涡，带来更大的气动损失。因此对于矩形方框这类典型FSS基础结构，带有集总电阻的“日”字形FSS结构可提升飞机典型探测波段吸波能力，同时尽可能少的增加重量和进气道的入口气动损失。具体地，参考附图6，所述“日”字形金属方框位于所述PR层14介质基板的正中间。所述集总电阻15分别位于“日”字形金属方框的水平横线中心，提高对电磁波的吸收频带，降低角度敏感性。此外，还可在不改变其余单元尺寸结构的基础上，选择搭配不同阻值的电阻，改变所述吸波格栅1的工作频带。同时经过全波电磁仿真及实验测试，优选地，所述金属方框13的外边长m＝8mm，各边宽度相等,均为w＝0.5mm，“日”字形的三条水平横线之间间距q＝3.25mm。所述集总电阻15的长度p＝1mm，阻值为R＝300Ω/m2。
参考附图7，所述吸波格栅1通过最外围结构16与所述进气道2相连。为满足安装需求，所述最外围结构16只在所述PR层14介质基板单面印刷有所述FSS层，所述PR层14的另一面与所述进气道2内壁面相连。
参照附图8至11，利用实验测试的方法对比研究了附图中三种进气道在不同频率平面电磁波条件下，进气道前向-40°～40°探测角范围内的电磁散射特性。此处金属格栅的整体尺寸与加载集总电阻的吸波格栅保持一致。相较于单独进气道，安装金属格栅的进气道与所述带有集总电阻吸波格栅的进气道的RCS值均有明显下降。以附图8所示的10GHz入射频率，垂直极化方式下三种进气道的RCS分布曲线为例，加装进口格栅可降低0°左右正前方重点角域的RCS。所述带有加载集总电阻吸波格栅的进气道的RCS值相比带有金属格栅的进气道的RCS值又有一定程度的缩减。通过计算-40°～40°探测范围上述三种进气道的RCS角向均值，所述带有加载集总电阻吸波格栅的进气道的RCS相较于所述单独进气道，缩减了99.4％；相较于所述带有金属格栅的进气道，缩减了15.1％。表明所述带有加载集总电阻吸波格栅的进气道可极大程度上降低进气道的电磁散射水平。对比附图8至11，所述带有加载集总电阻吸波格栅的进气道在垂直极化和水平极化两种方式，以及不同平面电磁波频率下，均表现出了良好的RCS缩减特性。因此，本发明在较宽广的电磁波带宽下具有较低的雷达散射截面积，同时还具有较好的极化稳定性及入射角稳定性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：包括多个交叉设置的长条状FSS多层耦合结构，所述长条状FSS多层耦合结构的上层为频率选择表面FSS层、中层为合成树脂PR层、下层为频率选择表面FSS层；位于上层和下层的FSS层均由多个沿PR层长度方向均布的金属方框构成，且上、下层的金属方框一一对应设置。
2.根据权利要求1所述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：多个所述长条状FSS多层耦合结构横纵交叉设置，保证相邻长条状FSS多层耦合结构相互垂直，形成若干截面为正方形的环形方腔，单个环形方腔为方腔单元；所述方腔单元的四个周壁面两侧中心处均设置有一个金属方框。
3.根据权利要求2所述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：所述方腔单元的长、宽、高均一致。
4.根据权利要求2所述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：所述金属方框为“日”字形，其中“日”字形水平横线的中心处设置有集总电阻，其宽度与金属方框宽度一致。
5.根据权利要求4述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：所述集总电阻焊接于金属方框的水平横线上。
6.根据权利要求4所述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：所述金属方框的外边长m＝8mm，各边宽度相等,均为w＝0.5mm，“日”字形的三条水平横线之间间距q＝3.25mm；所述集总电阻15的长度p＝1mm，阻值为R＝300Ω/m2。
7.根据权利要求6所述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：所述合成树脂PR层的厚度为d＝1mm，其介电常数为εr＝4.3，材料的损耗角正切为tanδ＝0.025。
8.根据权利要求1所述一种带有加载集总电阻吸波格栅，其特征在于：所述金属方框位于PR层上下表面宽度方向的中部，采用印刷电路板技术印刷于PR层的双面。
9.一种权利要求1-8任一项所述带有加载集总电阻吸波格栅的制备方法，其特征在于：
制备长条状FSS多层耦合结构；所述长条状FSS多层耦合结构的长度方向相邻金属方框之间均开有条状单元凹口；且所述凹口的长度方向垂直于长条状FSS多层耦合结构的长度方向，
将多个长条状FSS多层耦合结构通过条状单元凹口进行插接，构成带有加载集总电阻吸波格栅。
10.一种进气道，其特征在于：所述进气道的进口平面设置有权利要求1-8任一项所述带有加载集总电阻吸波格栅，所述吸波格栅的外周面与进气道的内壁面固连。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310889046.2A CN117039454A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310889046.2A CN117039454A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种带有加载集总电阻吸波格栅、方法及进气道 |
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| CN117039454A true CN117039454A (zh) | 2023-11-10 |
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