复合超材料频率选择表面天线罩结构设计与成形工艺分析

王艳丽，赵小勇，龚仔华，康龙辉

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

天线罩是将天线与外界环境形成物理隔离，从而保护天线能在风、雪、雨、冰雹等恶劣环境条件下正常工作的一种设施；它既是飞行器的一部分，又是雷达系统的一部分，集电磁透明性与结构防护性为一体。某飞行器天线罩不仅需保护内部天线系统、提供尽量透明的电磁窗口，还需满足飞行器气动与隐身的兼容性要求。

传统介质型天线罩可通过对其不同区域罩壁厚度进行优化设计，使得其在某些应用场景下满足电性能工作要求。然而，该飞行器天线罩应用场景为高频，由于波长较短，天线罩壁厚度应尽可能薄，才能使其获得较高的透波率，但薄壁天线罩往往满足不了结构强度设计要求；另一方面，传统纯介质型天线罩一般是在非透波工作区域加载吸波材料，但该方法不能实现该型天线罩高性能隐身功能的要求，因此相较于天线罩传统隐身设计，通常的途径还包括频率选择表面（FSS），即通过金属结构实现对电磁波带通或带阻特性的调制来达到隐身性能要求。

该飞行器天线罩设计思路上采用了FSS设计方法，即天线带通频段（高频）内高透波、带外频段（隐身频段）内高截止。天线罩设计上相较频率选择表面（FSS）又有所不同，不同点一：天线工作（透波）区和非透波区均使用了超材料，且超材料按使用功能不同其微结构采取了分区设计；不同点二：超材料设计结合了隐身元素，即非透波区采用锯齿行波抑制超材料以降低飞行器雷达散射面积（RCS）。为实现较好的气动外形和符合低RCS外形要求，该天线罩理论外形设计为尖锥状，航向长度340mm，其外形示意图见图1，采用超材料微结构设计即可保证整个罩体面在带外表现为强截止特性，又可满足雷达波在带内的高透波率设计，保证了电信性能的设计要求。

图1 天线罩外形示意图

1 天线罩结构设计

基于天线罩高频透波、低频宽带截止的特性，利用超材料的谐振叠加特性，实现天线罩透波隐身功能。综合考虑结构、承载、环境适应性及天线罩内部安装空间等要求，将该天线罩设计为主体基材与超材料频率选择表面相结合的层合结构，即复合超材料频率选择表面天线罩，基础厚度≤3mm。依据天线安装位置及工作区域角度范围要求，天线罩透波区域航向长度应≥210mm；天线罩与天线舱对接框之间采用套接形式，在其尾部设置了30mm的套接区；天线罩透波区与尾部套接区结构的不连续性，针对天线罩的隐身设计要求，还需在透波区与尾部套接之间进行锯齿设计，以抑制不连续截面上的电磁散射。具体分区示意图见图2。

图2 天线罩结构设计分区示意图

再者，为兼顾天线罩外形尺寸的约束，天线罩主体基材使用透波复合材料提供结构强度承载功能，超材料功能层内嵌于天线罩主体复合材料结构中的特定位置，形成层合结构层/超材料功能层/层合结构层的构型形式，罩壁超材料微结构构型示意图见图3（a）；按仿真计算优选结果，超材料微结构典型单元设计为带通型，微结构单元示意图见图3（b）。

另外，针对透波区与非透波区（过渡区与连接区）的电磁不连续边界进行了锯齿化设计。按图2天线罩结构设计分区要求，在天线罩后部进行了锯齿设计，该区域范围决定了锯齿设计的可用长度，同时也决定了锯齿的性能。依据锯齿设计原则：应避免电磁波在整个考察角域范围内垂直锯齿边的情况发生；同时还应遵守平行原则，以减少考察角域外电磁波反射峰的数量。因此，该天线罩锯齿结构示意图见图4，锯齿长度105mm，底端距尾部距离为80mm，锯齿尖端距尾部距离为130mm；锯齿水平面投影角为86°，竖直面投影角为80°。

图3 天线罩壁超材料微结构示意图

该型天线罩采用石英纤维结构层/超材料功能层/石英纤维结构层一体化设计，铺层设计结果示意图见图5，天线罩外侧为1.35mm厚度的石英纤维层压结构（外蒙皮1.17mm，单层厚度0.09mm，共13层；再加表面保护层0.09mm，0.1mm胶膜）；天线罩外侧的次外层按锯齿线划分铺覆功能材料作为功能层1，最外层为单层石英纤维层作为功能材料表面保护层；最中间以超材料层作为功能层2；内侧亦为1.35mm厚的石英纤维层压结构 （共15层，单层厚度0.09mm），天线罩内侧尾端30mm宽区域为装配区，进行局部增厚处理 （较内蒙皮增加1层，共16层，1.44mm）；共固化前，内外石英纤维层压结构与超材料结构功能层之间均铺覆了胶膜（0.1mm）以提高层间力学性能。

图4 天线罩锯齿结构示意图

图5 天线罩铺层设计结果示意图

2 天线罩成形工艺分析

为获得较优的气动外形和保证隐身性能，天线罩外形尺寸精度和表面质量要求较高，外形容差要求为±0.2mm，因此天线罩固化成形模具采用阴模工装结构。为保证超材料层的准确位置，在工装上专门设置了铺层定位线进行铺层边界定位。

天线罩用预浸料及功能超材料薄膜层的铺贴顺序按图5铺层设计结果示意图进行，具体铺贴顺序如下：

1）先在阴模上铺贴1层厚度0.09mm的表面保护层预浸料；

2）在表面保护层内按锯齿线划分铺覆行波抑制超材料以及铜网作为功能层1；

3）铺贴外蒙皮剩余的13层预浸料；

4）铺贴透波区超材料层及行波抑制超材料层作为功能层2；

5）铺贴内蒙皮13层预浸料；

6）在内侧蒙皮末端往尖头方向30mm宽区域内，增加1层预浸料铺层。

天线罩铺贴完成后，其中超材料薄膜作为天线罩的一个铺层，其与主体基材石英纤维/氰酸脂一起共固化，固化工艺采用热压罐工艺。

3 结语

该复合超材料频率选择表面天线罩首次制作后进行了透波和隐身性能摸底测试，基本满足预先设定目标。但因其截面为多面体复杂异形截面，频选超材料微结构层无法对天线罩外形进行一体式铺贴，采取的层片搭接处理会破坏频选层整个周期结构的完整性，造成多处电磁不连续边界，使得实际隐身性能测试结果劣于仿真计算结果；其次，天线罩头部较尖，尖头区域纤维含量偏高，天线罩实际透波率较计算值偏低。后续拟对超材料频选功能层搭接方案及铺贴方案进行优化，并对尖部区域铺层层片进行精细化设计及铺贴仿真，以改善天线罩透波和隐身性能。