复合FSS的毫米波“矩形化”通带频率选择天线罩

赵　伟，刘建新，赵腾伦

(中国空空导弹研究院第八研究所，　河南 洛阳 471009)



复合FSS的毫米波“矩形化”通带频率选择天线罩

赵伟，刘建新，赵腾伦

(中国空空导弹研究院第八研究所，河南 洛阳 471009)

设计和制备一种基于FSS的毫米波频率选择透波的轻质耐高温天线罩。在薄膜覆铜板材料上设计周期性排列的图案形成FSS，并将多层FSS夹入多层石英纤维增强聚酰亚胺预浸料之间，高温模压实现天线罩的制备。测试结果表明：新型天线罩相当于级联了一个窄带滤波器，具备平顶和陡截止的矩形化滤波特性，有利于提高雷达抗压制式宽带干扰的能力。

频率选择表面；石英纤维增强聚酰亚胺；矩形化通带；天线罩

0　引　言

频率选择表面(FSS)，是由周期性排列的金属贴片单元或金属屏上周期性开孔单元构成的阵列结构。基于周期性的谐振单元与不同频率、不同极化的平面波相互作用，FSS具有控制电磁波反射和传输的特点。空空导弹上引信天线罩常选用轻质耐高温的复合材料[1]，需具备以下特性：

1)微波传输性能优良且稳定；

2)耐高温、热膨胀系数低，以抵抗高气动加热热冲击；

3)材料基体具有较好的强度、刚度和韧性，能承受导弹高速机动、大过载带来的各种应力；

4)成型与加工性好，易于批产工程化。

将频率选择表面技术应用于复合材料制造的天线罩上，就可以使天线罩获得频率选择的功能，进行选择性透波[2-5]。在设计频段内天线罩保持正常的透波；设计频段外，天线罩相当于一个金属罩，将电磁波屏蔽。美国的第四代战斗机F22和F35在机头雷达罩上采用了该技术，其作用在于，使飞机天线舱在设计频段

内、外表现出不同的RCS特性。美国捕食者C型无人机，在机头上方的卫通天线罩上采用FSS技术，来控制飞机头向的RCS。该天线罩为鼓包形，对Ku波段的卫星通信频段是透明的，在战斗机和导弹常用的雷达频段则是隐身的[6]。

本文将FSS应用于天线罩的设计和制备，对设计频段外的电磁波隔离并控制散射方向，使天线罩具有频率选择的功能，即相当于级联一个带通滤波器，进行选择性透波。复合FSS的天线罩将是一种提高雷达抗压制式宽带干扰能力的简单有效的措施。

1　FSS单元设计

与普通天线罩相比，从射频原理上理解，普通天线罩的设计工作相当于射频传输线的设计，其关键是阻抗匹配和减小衰减；复合FSS的天线罩相当于为传输线级联上一个带通滤波器，除匹配和衰减外，其关键问题是FSS的谐振设计。

FSS传输特性的主要参数有中心频率、带宽和传输系数等。而影响这些参数的因素包括FSS单元的几何形状、单元大小、单元排布周期以及排布方式，电磁波的极化方式。FSS设计中阵列周期的选择主要应考虑避免结构在规定频域内表面波传播。此外，FSS的谐振频率与带宽会随着电磁波的入射角度变化而变化。

FSS谐振单元分为中心连接型、环形或实心单元。孔径型FSS类似高通滤波器，在此选用原则为通带带宽窄、损耗小、具有较好的陡降截止的频率特性、无寄生谐振。如图1所示，仿真不同谐振单元的透射曲线，Y形单元的3dB工作带宽最窄，确定Y形孔径单元结构为基本单元[7]。

图1　不同谐振单元频率响应曲线

图2为Y形FSS单元仿真模型，Y型孔径单元的枝节长度、宽度以及介质基板的厚度、电性能参数对滤波特性有影响，如图3所示，分析Y形孔径单元结构参数与透射率的关系，以确定合适的结构参数[8]。

图2　Y形FSS单元仿真模型

图3　枝节宽度对FSS传输特性影响

由结构参数与传输特性关系仿真结果：

1)基板介电常数变大，透射曲线的谐振频率、边缘陡降率无明显变化；

2)基板厚度变大，透射曲线的边缘陡降率变大，3dB通带宽度变窄；但谐振频率处的峰值变小；

3)Y形枝节长度变长，谐振频率向低频移动；枝节宽度变小，谐振频率亦向低频移动。

最终，选定聚酰亚胺覆铜薄膜板作为FSS的基板，厚度为0.05mm，确定Y形枝节长度为2.0mm，宽度为0.3mm。

2　多屏结构FSS设计

为满足FSS平顶和陡截止的矩形化滤波特性，需采用多层FSS以加强通带或阻带的截止特性。带通天线罩通常要求有相对较高的Q值，这就需要多层FSS来实现。将两层或者多层FSS级联起来，主要是通过FSS层间电磁场的耦合来调节电性能，可获得平顶和陡截止的带通特性[9]，如图4所示。

图4　多屏FSS结构频率响应曲线

由仿真结果可知，多屏FSS结构的屏数越多，3dB带宽越窄，四屏结构的带宽为1.2GHz；且透射曲线出现陡降。

目前，国内普遍使用的天线罩复合材料主要是玻璃纤维、芳纶、石英纤维和聚乙烯纤维等增强的树脂基复合材料，树脂基体主要有环氧树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂，以及氟塑料和双马树脂等材料。复合材料的耐温性主要取决于树脂基体，其中聚酰亚胺是典型的高温聚合物基材料。因此，四屏FSS薄膜结构外层覆盖石英增强聚酰亚胺材料(牌号：YH-550)作为FSS薄膜结构的保护层，如图5所示。YH-550瞬时最大耐温550℃，石英纤维作为骨架增强材料的结构强度，每层YH-550的厚度不大于0.1mm。

图5　多屏FSS结构复合聚酰亚胺保护层

两种四屏FSS薄膜结构外覆YH-550的透射曲线如图6所示。外覆石英增强聚酰亚胺材料作为FSS保护层，谐振频率向低频移动，但3dB通带带宽减小；外覆、内嵌石英增强聚酰亚胺材料，透射波峰值为-3dB，石英增强聚酰亚胺材料层数越多，整体材料的损耗越大。

图6　多屏FSS复合聚酰亚胺频率响应曲线

3　基于薄膜基板的FSS加工和测试

在工艺化方面，印刷电路、电腐蚀和光刻是平面薄屏FSS最为常用的加工方法。对于平面FSS加工来说，是在介质基板上覆铜后，制备出具有导电的单元图形。其工艺有两种：一个是网印法，即在覆铜基板上预先用网印抗蚀膜，然后，用化学方法将未被抗蚀剂覆盖的部分腐蚀掉，脱去抗蚀膜，这样就制备出所需要的单元图形，此工艺方法成本低，一般适用于加工制作宽缝隙的单元图形；另一个是光刻法，即覆盖铜基板表面预先涂布光敏抗蚀膜，并用相应的掩膜覆合曝光，通过显影腐蚀，除去基板表面上残留抗蚀膜，这样就制备出完整的单元图形，此工艺方法成本高，但能加工窄缝隙的单元图形。

采用光刻法加工毫米波波段FSS双屏样件。选择杜邦公司AP8525R双面挠性板作为FSS的加工基材，板材为聚酰亚胺，厚度为0.050 8mm，正反面的表面覆铜层均为0.018mm，双面对称刻蚀FSS结构，并采用OSP防氧化处理，加工完成FSS。FSS双屏样件如图7所示。

图7　毫米波FSS双屏加工样片

利用矢量网络分析仪、测试喇叭、吸波材料等搭建材料空间透射性能测试系统[10]。两个测试喇叭分别放置在聚氨酯吸波材料夹具两侧，分别与矢量网络分析仪输出/输入端口相连，周围用吸波材料搭建吸波腔体；同时，为进一步降低环境的回波反射，矢量网络分析仪设置时域门。测试时，FSS试验件嵌套安装在聚氨酯吸波材料夹具内，从矢量网络分析仪上读取S21曲线，即为材料透射性能曲线。

加工的Ka波段两屏FSS与四屏FSS的透射曲线对比如图8a)所示，六屏FSS与四屏FSS的透射曲线对比如图8b)所示。由测试结果可知：FSS具有电磁波带通滤波器的空间透射性能，具有较好的陡降截止的频率特性；FSS结构的屏数越多，通带带宽越窄。

图8　FSS频率响应曲线测试结果

分析入射波与FSS不同的夹角对透射性能的影响，对比如图9所示。当入射角为30°时，透射波谐振频率发生偏移，带宽变窄，材料损耗变大；透波性能的矩形化和平顶效果出现恶化。分析认为：不同角度入射波水平和垂直方向的电场分量不同，导致FSS的谐振强度不同。后续可考虑交叉立体排布FSS阵列，形成立体布局的FSS单元结构。

图9　0°和30°入射角时FSS透射对比

4　基于FSS天线罩制备流程

将加工完成的FSS板材夹层在聚酰亚胺石英纤维布预浸料中，300℃高温模压成型制备天线罩。单层FSS厚度小于0.1mm，两侧各增加两层聚酰亚胺预浸料，每层预浸料厚度为0.1mm，则天线罩的总厚度不超过 0.5mm，制备流程如图10所示。制备的天线罩样件如图11所示，天线罩测试的透射曲线如图12所示。

图10　天线罩制备流程

图11　天线罩样件照片

图12　天线罩频率响应曲线测试结果

由测试结果可知，复合FSS天线罩透射性能具备平顶和陡截止的矩形化滤波特性，3dB透射带宽120MHz，相对带宽比小于0.6%；10dB带宽400MHz，相对带宽比小于2%；复合材料中心频率透波损耗≤0.5dB。

由图11可知，天线罩透射性能没有出现明显的平顶效果。分析认为两层FSS作为夹层复合在聚酰亚胺预浸料中，在层叠铺设的过程中，两层FSS分布在聚酰亚胺预浸料两侧，结构上容易出现错位而导致单元上下不能完全对齐，从而影响了两层FSS的谐振一致性，增大插入损耗的同时影响透射性能的平顶效果。后续工作可通过进一步调整Y型单元的行、列间距，优化透射性能；优化每层材料层叠铺设的工艺，以提高透射性能的平顶效果。

5　结束语

设计和制备一种基于FSS的毫米波频带选择透波的轻质耐高温天线罩。在薄膜覆铜板材料上设计周期性排列的图案形成FSS，将多层FSS夹入多层聚酰亚胺石英纤维布预浸料之间，高温模压实现天线罩的制备。测试结果表明，新型天线罩相当于级联了一个窄带滤波器，具备平顶和陡截止的矩形化滤波特性。该技术改进了天线罩设计和生产工艺，雷达系统不需要增加复杂的电路和信号处理算法，就可较大幅度提高雷达抗压制式宽带干扰的能力，工程实用性较强。

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赵伟男，1980年生，高级工程师。研究方向为无线电引信天馈系统设计。

刘建新男，1961年生，研究员级高级工程师。研究方向为无线电引信总体系统。

赵腾伦男，1981年生，工程师。研究方向为无线电引信结构设计。

NovelFrequencySelectiveRadomewith“Rectangular”Pass-bandatMillimeter-waveFrequencyBasedonFSS

ZHAOWei，LIUJianxin,ZHAOTenglun

(TneNo.8DepartmentofChinaAirbornMissileAcademy,Luoyang471009,China)

Akindofradomewithmulti-bandselectivewavetransmissionbasedonFSSisdesignedandprocessed.Frequencyselectivesurfaceisintroducedintheflexiblecoppercladlaminateandisfilledinpolyimideprepregreinforcedbyquartzfibre.Theradomeisfabricatedbycompressionmoldingandhigh-temperaturecuring.Themeasuredresultsshowthat,theradomecanbeconsideredasahighpassfilterwithaflattopandasharpfalloffoutsidepass-bandtransmissionproperties.Therandomeisakindofsimpleandeffectivemeasurewhichimprovethecapabilityofwidebandblanketanti-jamming.

frequencyselectivesurfaces;polyimidereinforcedbyquartzfibre;rectangularpass-band;radome

中国空空导弹研究院科技创新基金项目

赵伟Email：zhaowei03617@163.com

2016-01-22

2016-03-20

TN975

A

1004-7859(2016)06-0063-04

·天馈伺系统·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.015