物理学报Acta Phys.Sim.Vol.62,No.19(2013)198401 前沿领域综述 频率选择表面天线罩研究现状与发展趋势 鲁戈舞2)张剑2)杨洁颖2)张天翔2寇元1 (北京大学化学与分子工程学院北京10071) 2)(航天特种材料及工艺技术研究所.北京100074) (2013年4月16日收到：2013年5月28日收到修政稿) 由于雷达天线系统自身工作的特点，他必须保证自身雷达波的正常接收和发射，常用的隐身指施无法简单地 用， ,可以使大线草状 性， 的传 教算方的天智 关键词：频率选择表面(FSS),多频FSS天线罩，智能FSS天线罩，厚屏FSS天线罩 PACS:84.40.-x,41.20.-907.50.Hp D01:10.7498/aps.62.198401 最广泛的是FSS技术.FSS是指周期性排布在导电 1引言 金属表面上的缝隙成或介质表面上的金属贴片其本 质是一种空间滤波器.将FSS加较到天线罩上就 雷达隐身技术是当前隐身技术的研究重点之 形成频带内透过 频带外全反射的带通天线罩（图 一，由雷达天线、天线罩及雷达舱内高频部件组成 I).FSS天线罩是隐身天线罩技术的突破，其优点 的雷达天线系统是飞行器头部区域的一个强散射 有2一4：1)雷达工作频段内信号可以正常传输.工 源其隐身效果直接影响飞行器的隐身效果.目 作频段外的入射电磁波被天线罩反射而形成极低 前用来减小飞行器雷达散射截面（®CS)的途径有 的RCS,即利用天线罩的低RCS取代了天线的 两种：一是低RCS外形设计：二是宙达吸波涂料拉 RCS特性.达到了通带外隐身的效果：2)FSS天线 术.为了尽可能缩减RCS,常常采用两种途径的结 置的几何外形与飞行器的本体结构贴近，即不改变 合但是由于受雷达天线系统自身工作特点的限制 它必须保证自身需达波的正常发射和接收。上述两 天线罩的气动外形，满足飞行器动力学要求；3)不 影响原雷达系统的电气特性和天线罩的机械强度 种隐身措施不可能简单地在天线隐身中获得应用 并且基本上不增加天线罩重量.从现役飞行器隐身 因此雷达天线系统的隐身成为飞行器隐身的瓶颈 改装和新型隐身飞行器设计的长远观点来看，研究 天线置是保护雷达天线系统免受外界环墙影 FSS天线罩具有十分重要的意义 响的装置，集透波 承载、耐热于一体隐身天线 罩技术是目前解决雷达天线隐身最有前景的技术 2频率选择表面天线罩技术 之一.隐身天线罩通常采用的技术包括频率选择表 面技术(frequency selective surface.FsS)、极化选择 2.1FSS天线罩设计目标 表面技术(polarization selective urface,PSSX、阻抗 加载技术以及时域隐身技术等，而目前国内外运用 一个性能良好的FSS天线罩应当谐振频率准 http://wulixb.iphy.ac.cn 198401-
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 前沿领域综述 频率选择表面天线罩研究现状与发展趋势 鲁戈舞1)2) 张剑2) 杨洁颖2) 张天翔2)† 寇元1)‡ 1) ( 北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871 ) 2) ( 航天特种材料及工艺技术研究所, 北京 100074 ) ( 2013 年 4 月 16 日收到; 2013 年 5 月 28 日收到修改稿) 由于雷达天线系统自身工作的特点, 他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. 本文分析了 FSS 天线罩制备的基本思路, 综述了国内外 FSS 天线罩在结构设计、 制造工艺等方面的研究状况, 并从多频 FSS 天线罩、智能 FSS 天线罩、厚屏 FSS 天线罩、微型化 FSS 天线罩以及 各技术的组合等方面对 FSS 天线罩的发展进行了展望. 关键词: 频率选择表面 (FSS) , 多频 FSS 天线罩, 智能 FSS 天线罩, 厚屏 FSS 天线罩 PACS: 84.40.−x, 41.20.−q, 07.50.Hp DOI: 10.7498/aps.62.198401 1 引 言 雷达隐身技术是当前隐身技术的研究重点之 一, 由雷达天线、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 [1] . 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. 为了尽可能缩减 RCS, 常常采用两种途径的结 合. 但是由于受雷达天线系统自身工作特点的限制, 它必须保证自身雷达波的正常发射和接收, 上述两 种隐身措施不可能简单地在天线隐身中获得应用, 因此雷达天线系统的隐身成为飞行器隐身的瓶颈. 天线罩是保护雷达天线系统免受外界环境影 响的装置, 集透波、承载、耐热于一体. 隐身天线 罩技术是目前解决雷达天线隐身最有前景的技术 之一. 隐身天线罩通常采用的技术包括频率选择表 面技术 (frequency selective surface, FSS)、极化选择 表面技术 (polarization selective surface, PSS)、阻抗 加载技术以及时域隐身技术等, 而目前国内外运用 最广泛的是 FSS 技术. FSS 是指周期性排布在导电 金属表面上的缝隙或介质表面上的金属贴片, 其本 质是一种空间滤波器. 将 FSS 加载到天线罩上就 形成频带内透过、频带外全反射的带通天线罩 (图 1). FSS 天线罩是隐身天线罩技术的突破, 其优点 有 [2−4] : 1) 雷达工作频段内信号可以正常传输, 工 作频段外的入射电磁波被天线罩反射而形成极低 的 RCS, 即利用天线罩的低 RCS 取代了天线的强 RCS 特性, 达到了通带外隐身的效果; 2) FSS 天线 罩的几何外形与飞行器的本体结构贴近, 即不改变 天线罩的气动外形, 满足飞行器动力学要求; 3) 不 影响原雷达系统的电气特性和天线罩的机械强度, 并且基本上不增加天线罩重量. 从现役飞行器隐身 改装和新型隐身飞行器设计的长远观点来看, 研究 FSS 天线罩具有十分重要的意义. 2 频率选择表面天线罩技术 2.1 FSS 天线罩设计目标 一个性能良好的 FSS 天线罩应当谐振频率准 † 通讯作者. E-mail: ZTX513@263.net ‡ 通讯作者. E-mail: yuankou@pku.edu.cn ⃝c 2013 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 198401-1
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,Na.19(2013)198401 确、谐振带宽满足要求、 外良好的频率选择性。并造带高传、 质材料，确定介质参数 一般选择低介电常数和低 介电损耗的介质复合材料满足天线罩高传输效 极化的入射波不敏感，即满足宙达在宽扫描角范围 的需求，并且选择FSS两边加载相同的介质材料 内对瞄准精度、旁瓣电平系数以及方向图畸变等 获得良好的诱波性能和理想带窗.与此同时设计 性能的要求因此FSS天线置的设计目标是FSS的 SS单元结构.确定单元的形状.由于SS天线写 谐振频率落在我方雷达的中心工作频率上，通带为 一般为曲面、罩面上不同点处的电场入射角变化较 我方雷达的工作频段.通带内具有较高的传输效率 应选择对入射角和极化不敏感 稳定性较好日 通带外则呈现全反射特性，使天线罩实现频率选择 单元，可以选择自对称的圆形、 圆环、多边形和 的功能.SS天线罩相当于在普通天线罩上加载了 环单元等（图2）.美国的FSS专家Mittra教授认为 FSS阵列，普通天线罩的设计工作可等同射频传输 十字”、“耶路撒冷”等单元结构FSS的各项特性 线的设计，设计目标是阻抗匹配和减小衰减 FS 较好尤其是诵带中心，率不随入射角的变化而 天线罩的设计工作相当于为传输线级联了一个 变.而后根据FSS的介质加载规律确定FSS 通滤波器，设计时除阻抗匹配和衰减减小外，还需 元尺寸，使其垂直入射时谐振在高于天线的工作划 考虑谐振特性5同 率上.一般来说.对于中心连接单元谐振波长约为 单元跨距的两倍：对于环形单元，谐振波长约等] 2.2FSS天线罩罩壁结构设计 強元的长出时周期单元产生谐振成被波传 能倒，改变诰振单元的尺寸能有效改变 FSS天线罩的频率响应特性取决于FSS谐 振频率.值得一提，对于FSS天线罩，单元结构的缝 单元的结构类型、单元尺寸及形状、单元周期性 隙宽度也影响谐根频率，缝隙空谐根频率低，缝 分布的形式、介质衬底的特性.电陵波的入射方式 宽诰振频率高.再次.选择FSS的加载方式.FSS可 和极化方式等.因此FSS天线罩置壁结构的设计主 以加在介质壁（实心壁或夹层壁）的一侧也可同时 要是对FSS结构及其加载介质参数的选择，FSS天 加在两侧，还可以夹在中间.带有单层SS的罩型 线罩一般选用孔径型FSS.FSS在实际应用中都需 设计简单但其带内损耗较大，带外衰减较小.带有 要有衬底支撑，在FSS天线罩中，复合材料單体即 双层FSS的罩壁可以提高带内的传输效率.同时带 是村底.首先，应根据天线罩使用环境特性选择介 外衰减也较大，在减缩RCS方面的效果要好，有利 带外 达吸收材料 图1 率选择表面天线工作原理 口▣000+++Y丫丫 2频率遮择表面天找罩常用单元形状 198401-2
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 确、谐振带宽满足要求、通带内高传输效率、通 带外良好的频率选择性, 并且对不同入射角、不同 极化的入射波不敏感, 即满足雷达在宽扫描角范围 内对瞄准精度、旁瓣电平系数以及方向图畸变等 性能的要求. 因此 FSS 天线罩的设计目标是 FSS 的 谐振频率落在我方雷达的中心工作频率上, 通带为 我方雷达的工作频段. 通带内具有较高的传输效率, 通带外则呈现全反射特性, 使天线罩实现频率选择 的功能. FSS 天线罩相当于在普通天线罩上加载了 FSS 阵列, 普通天线罩的设计工作可等同射频传输 线的设计, 设计目标是阻抗匹配和减小衰减; FSS 天线罩的设计工作相当于为传输线级联了一个带 通滤波器, 设计时除阻抗匹配和衰减减小外, 还需 考虑谐振特性 [5,6] . 2.2 FSS 天线罩罩壁结构设计 FSS 天线罩的频率响应特性取决于 FSS 谐振 单元的结构类型、单元尺寸及形状、单元周期性 分布的形式、介质衬底的特性, 电磁波的入射方式 和极化方式等, 因此 FSS 天线罩罩壁结构的设计主 要是对 FSS 结构及其加载介质参数的选择. FSS 天 线罩一般选用孔径型 FSS. FSS 在实际应用中都需 要有衬底支撑, 在 FSS 天线罩中, 复合材料罩体即 是衬底. 首先, 应根据天线罩使用环境特性选择介 质材料, 确定介质参数. 一般选择低介电常数和低 介电损耗的介质复合材料满足天线罩高传输效率 的需求, 并且选择 FSS 两边加载相同的介质材料以 获得良好的透波性能和理想带宽. 与此同时, 设计 FSS 单元结构, 确定单元的形状. 由于 FSS 天线罩 一般为曲面, 罩面上不同点处的电场入射角变化较 大, 应选择对入射角和极化不敏感、稳定性较好的 单元, 可以选择自对称的圆形、圆环、多边形和方 环单元等 (图 2). 美国的 FSS 专家 Mittra 教授认为 “十字”、“耶路撒冷” 等单元结构 FSS 的各项特性 较好, 尤其是通带中心频率不随入射角的变化而改 变 [7] . 而后根据 FSS 的介质加载规律确定 FSS 单 元尺寸, 使其垂直入射时谐振在高于天线的工作频 率上, 一般来说, 对于中心连接单元, 谐振波长约为 单元跨距的两倍; 对于环形单元, 谐振波长约等于 单元的周长, 此时周期单元产生谐振, 完成滤波传 输功能 [8] . 改变谐振单元的尺寸能有效改变 FSS 谐 振频率. 值得一提, 对于 FSS 天线罩, 单元结构的缝 隙宽度也影响谐振频率, 缝隙窄谐振频率低, 缝隙 宽谐振频率高. 再次, 选择 FSS 的加载方式. FSS 可 以加在介质壁 (实心壁或夹层壁) 的一侧, 也可同时 加在两侧, 还可以夹在中间. 带有单层 FSS 的罩壁 设计简单但其带内损耗较大, 带外衰减较小. 带有 双层 FSS 的罩壁可以提高带内的传输效率, 同时带 外衰减也较大, 在减缩 RCS 方面的效果要好, 有利 图 1 频率选择表面天线罩工作原理 图 2 频率选择表面天线罩常用单元形状 198401-2
物理学报Acta Phys.Sin.Val.62,Na.19(20I3)198401 于提高隐身性能，但FSS层间的相对平移对其电性 载雷达罩立传广告上大篇幅地介绍其在SS雷达 能影响较大.最后通过选择SS单元结构形式 罩方面的设计软件和能力，并有FSS雷达天线罩可 调整栅格参数以及介电参数和结构厚度，反复计算 供用户选用9.瑞典的Applied Compsite公司也是 优化，设计出所需的频率特性. 世界上隐身天线罩的主要研制者，他们的主要技术 就是FSS. 3频率选择表面天线罩国内外研究 由于涉及军事秘密，国外很少具体报道FSS天 现状 线罩的发展程度.从有限资料显示，国外对于SS 天线罩的研究已经达到很高的水平研究方法从 3.1国外研究现状 计算分析到优化设计：从无源FSS天线罩扩展到有 原FSS天线置：从单屏FSS天线置到多屏SS天 20世纪60年代，美国科学家Kieburtz等人 线罩：介质材料种类繁多，形式多样.FSS隐身天线 化了矩形槽阵FSS的电磁场求解过程，为FSS天 罩在美国己投入了工程应用，先是应用于导弹，后 线罩技术找到了理论依据.同时也为该技术的完善 又应用于飞机上，据悉美国轻型喷气运输机C140 指明了方向0.0年代，Munk等人先后完成了T 使用了FSS宙达罩.而以F.22和F.35为代表的第 形、十字形及圆形FSS理论工作并在1974年制出 代战斗机天线置采用了“眷*形尖制锥体 第 个锥形金属雷达罩，习即第 个FSs 的隐身气 动外形和SS技术实现了 带外隐身和 线罩：并对该罩进行水平极化波和垂直极化波的 内传输的功能.法国的拉斐特隐身战舰的天线京 描（图3）.80年代，由于飞机隐身设计技术得到发 采用了频率选择表面，并结合外形设计达到雷达隐 展和应用，FSS天线罩技术取得了预研成果.此后 身的目的. 科学家们先后突破了雷达天线罩隐身设计技术，其 功能实现了由“传导 向“隐身与传导 兼备的 域，FSS设计仿真分析技术、RCS设计仿真分析技 术得到发展与应用.FSS天线罩得到了快速发展 从公开发表的有限的文献来看，美国和英国处在 FSS天线置研究的前列美国Mia教授在FSS天 线罩方面的工作包括研究相控阵天线系统中S 天线罩对辐射方向图的影响.利用改进的平面波期 进方法分析SS天线罩对微带天线的影响.以及 利用类周期方法分析大型阵列和天线罩的组合形 式7&，1英国Parker和Philips教授，他们在FSS天 线罩的研究工作主要是利用厂 方程分制 图3美国制作的第一个颜率适择表面天线甲 美国的Be hdad教授，他利用一种合成方法设计多层级联结构 32国内研究现状 的带通型微型化低剖面SS7-20,韩国先进科制 学院的Lee等一直致力于夹层结构FSS天线罩的 由于国内对FSS的研究开展较晚，20世纪90 研制-42 年代初才有相关论文发表，所以目前对SS天线 工艺方面，复合材料表面金属化技术以及激光 的研究更是相对比较落后，大多集中在性能稳定舞 刻蚀技术的发展促进了FSS天线罩的发展，国外 单元的研制、SS天线置结物设计以及SS参数 SS天线罩的制作己经从准数控机械加工发展到 对性能的影响上，在性能稳定新单元的研制上李 数字仿真与数控加工一体化的阶段：FSS的单元图 小秋等提出了一种改进型Y孔新单元，并通过化设 形从间接转移发展成直接刻划四-调 另外 无论 和平板试样验证给出了新单元的FSS结构参 是单屏FSS天线罩还是多屏FSS天线罩的制作，国 (图4(a).相比于原Y孔单元，新单元FsS在电 外已经达到了工程应用的水平4.美国有专门制 波大角度入射时具有高透过率，同时在电磁波大扫 作FSS隐身天线罩的公司.英国BASE公司的机 描角范围内中心频率的漂移量中小252可而雷达 198401-3
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 于提高隐身性能, 但 FSS 层间的相对平移对其电性 能影响较大 [9] . 最后通过选择 FSS 单元结构形式, 调整栅格参数以及介电参数和结构厚度, 反复计算 优化, 设计出所需的频率特性. 3 频率选择表面天线罩国内外研究 现状 3.1 国外研究现状 20 世纪 60 年代, 美国科学家 Kieburtz 等人简 化了矩形槽阵 FSS 的电磁场求解过程, 为 FSS 天 线罩技术找到了理论依据, 同时也为该技术的完善 指明了方向 [10] . 70 年代, Munk 等人先后完成了 T 形、十字形及圆形 FSS 理论工作并在 1974 年制出 了第一个锥形金属雷达罩 [11,12] , 即第一个 FSS 天 线罩; 并对该罩进行水平极化波和垂直极化波的扫 描 (图 3). 80 年代, 由于飞机隐身设计技术得到发 展和应用, FSS 天线罩技术取得了预研成果. 此后, 科学家们先后突破了雷达天线罩隐身设计技术, 其 功能实现了由 “传导” 向 “隐身与传导” 兼备的跨 域, FSS 设计仿真分析技术、RCS 设计仿真分析技 术得到发展与应用, FSS 天线罩得到了快速发展. 从公开发表的有限的文献来看, 美国和英国处在 FSS 天线罩研究的前列. 美国 Mittra 教授在 FSS 天 线罩方面的工作包括研究相控阵天线系统中 FSS 天线罩对辐射方向图的影响, 利用改进的平面波频 谱方法分析 FSS 天线罩对微带天线的影响, 以及 利用类周期方法分析大型阵列和天线罩的组合形 式 [7,8,13] . 英国 Parker 和 Philips 教授, 他们在 FSS 天 线罩的研究工作主要是利用 Pocklington 方程分析 FSS 天线罩和天线之间的耦合 [14−16] . 美国的 Behdad 教授, 他利用一种合成方法设计多层级联结构 的带通型微型化低剖面 FSS[17−20] . 韩国先进科技 学院的 Lee 等一直致力于夹层结构 FSS 天线罩的 研制 [2−4,21] . 工艺方面, 复合材料表面金属化技术以及激光 刻蚀技术的发展促进了 FSS 天线罩的发展, 国外 FSS 天线罩的制作己经从准数控机械加工发展到 数字仿真与数控加工一体化的阶段; FSS 的单元图 形从间接转移发展成直接刻划 [22−24] . 另外, 无论 是单屏 FSS 天线罩还是多屏 FSS 天线罩的制作, 国 外已经达到了工程应用的水平 [24] . 美国有专门制 作 FSS 隐身天线罩的公司. 英国 BASE 公司的机 载雷达罩宣传广告上大篇幅地介绍其在 FSS 雷达 罩方面的设计软件和能力, 并有 FSS 雷达天线罩可 供用户选用 [9] . 瑞典的 Applied Compsite 公司也是 世界上隐身天线罩的主要研制者, 他们的主要技术 就是 FSS. 由于涉及军事秘密, 国外很少具体报道 FSS 天 线罩的发展程度. 从有限资料显示, 国外对于 FSS 天线罩的研究已经达到很高的水平. 研究方法从 计算分析到优化设计; 从无源 FSS 天线罩扩展到有 源 FSS 天线罩; 从单屏 FSS 天线罩到多屏 FSS 天 线罩; 介质材料种类繁多, 形式多样. FSS 隐身天线 罩在美国已投入了工程应用, 先是应用于导弹, 后 又应用于飞机上. 据悉, 美国轻型喷气运输机 C-140 使用了 FSS 雷达罩. 而以 F-22 和 F-35 为代表的第 四代战斗机雷达天线罩, 就采用了 “脊” 形尖削锥体 的隐身气动外形和 FSS 技术实现了带外隐身和带 内传输的功能. 法国的拉斐特隐身战舰的天线罩就 采用了频率选择表面, 并结合外形设计达到雷达隐 身的目的. 图 3 美国制作的第一个频率选择表面天线罩 3.2 国内研究现状 由于国内对 FSS 的研究开展较晚, 20 世纪 90 年代初才有相关论文发表, 所以目前对 FSS 天线罩 的研究更是相对比较落后, 大多集中在性能稳定新 单元的研制、FSS 天线罩结构设计以及 FSS 参数 对性能的影响上. 在性能稳定新单元的研制上, 李 小秋等提出了一种改进型 Y 孔新单元, 并通过化设 计和平板试样验证给出了新单元的 FSS 结构参数 (图 4(a)). 相比于原 Y 孔单元, 新单元 FSS 在电磁 波大角度入射时具有高透过率, 同时在电磁波大扫 描角范围内中心频率的漂移量更小 [25,26] , 而雷达 198401-3
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,Na.19(2013)198401 天线罩一般为曲面，所以改进型Y孔FSS更适合用 在结构设计方面，研究者普遍认为将FSS屏 于雷达天线罩徐念喜等人利用矢量模式法，对传 于介质层之间的结构 目前比较可行FSS天线 统的FSS单元图形进行改进，为FSS天线罩提供了 中FSS屏的加载方式IB网.侯新字等人通过分析讨 一种且有较好的角度稳定性与极化稳定性的新哑 论认为，嵌于介质层之间的FSS结构可以获得较为 铃形SS单元（图4b)2可.刘斌等人设计了用于微 稳定的腊振带宽.并且能够有效地缩减双层FSS结 小卫星FSS天线罩的复合双十字形单元（图4(C》 构传输系数谐振区域中的凹沟31-34，蒙志君等人 并验证了新单元的传输特性网.最近，朱华新等 基于互导纳法设计了A夹层FSS罩壁结构并制作 通过在传统的Y单元FSS屏上再设置一些圆孔，新 了试验件.研究发现，A夹层加载的SS带内传输 FSS单元（图4d)减小了由于角度引起的透射比 损耗较小，具有一定的平顶特性，且带宽的入射角 下降的问题2 和极化稳定性好（图5）3可 几回 解 心 适用于sS天线罩的新单元(a)Y单元：)哑铃形单元：()复合双十字单元：(dY加圆孔单元 介质，0.1mm n6= 0.014 介质，0.1mm 01 蜂窝。8mm iii面 介质.0.1mm 6,=4.2,tan6=0.014 介质，0.1mm 6,=4.2,tan6=0.014 图5S5天线跟跟壁结 198401-4
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 天线罩一般为曲面, 所以改进型 Y 孔 FSS 更适合用 于雷达天线罩. 徐念喜等人利用矢量模式法, 对传 统的 FSS 单元图形进行改进, 为 FSS 天线罩提供了 一种具有较好的角度稳定性与极化稳定性的新哑 铃形 FSS 单元 (图 4b)[27] . 刘斌等人设计了用于微 小卫星 FSS 天线罩的复合双十字形单元 (图 4(c)), 并验证了新单元的传输特性 [28] . 最近, 朱华新等人 通过在传统的 Y 单元 FSS 屏上再设置一些圆孔, 新 FSS 单元 (图 4(d)) 减小了由于角度引起的透射比 下降的问题 [29] . 在结构设计方面, 研究者普遍认为将 FSS 屏嵌 于介质层之间的结构是目前比较可行 FSS 天线罩 中 FSS 屏的加载方式 [30] . 侯新宇等人通过分析讨 论认为, 嵌于介质层之间的 FSS 结构可以获得较为 稳定的谐振带宽, 并且能够有效地缩减双层 FSS 结 构传输系数谐振区域中的凹沟 [31−34] . 蒙志君等人 基于互导纳法设计了 A 夹层 FSS 罩壁结构并制作 了试验件. 研究发现, A 夹层加载的 FSS 带内传输 损耗较小, 具有一定的平顶特性, 且带宽的入射角 和极化稳定性好 (图 5)[35] . 图 4 适用于 FSS 天线罩的新单元 (a) Y 单元; (b) 哑铃形单元; (c) 复合双十字单元; (d) Y 加圆孔单元 图 5 FSS 天线罩罩壁结构 198401-4
物理学报Acta Phys.Sin.Val.62,Na.19(2DI3)198401 在FSS参数的改变对带通型FSS的影响方面 用平面结构的分析结果来指导FSS天线罩的理论 蒙志君等 计和加工.而FSS天线罩一股是曲面的.电磁 王焕青等人从物理 入射角度变化较大，并且极化方式不确定，性能稳 本质上分析了FSS单元的缝隙宽度对透波性能的 定的FSS单元是当前亟待解决的难题.另外目前 影响列.黄敏杰等人研究了单元形状的微小改变 的设计主要在于解决带帘和透波的问题欠缺有关 对带通型FSS的电性能的影响B，贾宏燕等人则 FSS单元带宽极限的讨论，针对FSS天线罩瞄准误 研究了单元排列方式对带通型FSS极化稳定性的 差、交叉极化瓣 ,副电平抬高等重要参数的 化还没有建立很好的设计理论模型：工艺方面，复 合材料表面金属化以及激光刻蚀等技术还未完全 抗法建立了具有多层介质衬底的低RCS双层缝隙 突破.制约了SS的发展.要实现FSS天线罩的丁 FSS雷达天线罩的模型.并具体论证了不同衬底 程化应用以及实现理想的滤波特性，无论在理论设 频率选样特性的影响【0.而侯新字等人曾在1999 计和工艺方法上都要做进一步的探索和研究 年就重点讨论过介质层厚度变化对SS传输特性 及带宽的影响， 4频率选择表面天线罩发展趋势 工艺方面.FSS天线罩制备的关键是如何料 FSS屏加载到复合材料天线罩上，FSS屏的加载国 由于国内FSS天线罩与国外FSS天线罩的发 内主要采用两种方法，一种是在薄膜基底上采用镀 展程度相茅环较大所以现阶段的工作重点是在消 隙、光刻得到柔性FSS装然后转移到天线置上 化国外已公开资料的基础上，对FSS天线罩进行优 这是国内FSS天线罩制各常用的 方法制备 SS屏时 高角度稳定的 窄带FSS设计：带内低损 曲面，再把小曲面延展为平面，进行平面FSS加工 耗设计；曲面SS设计以及FSS曲面加工.另一方 也可以将整个天线罩曲面廷展为平面进行加工.由 面.美国在2011年宜布研发新型隐形轰炸机，将高 于加工的平面FSS不可能与天线塑曲面完全一致 度融合并提升第四代战斗机采用的隐身技术具有 不可避免会在一定程度上影响FSS天线罩的传输 全向 宽频的 SS天线罩的制备将是其重点 特性.另一种是数字化机械加工，吕明云等研究 要攻克的技术-妈俄罗斯也宜有 将在2017年前 复杂频率选择表面加工的五自由度刻铣机器人曲 完成新型战略轰炸机的研制工作[炯.在第五代战 面加工法及其在大型曲面加工上的应用.分析掌 斗机、新型战术导弹、新型银拔机等新型武琴装 了工艺参数对SS传输性能的影响.通过建立浮动 备上，对雷达天线罩提出了更低的RCS、多频段聪 电主轴技术和曲面分区法大大提高了SS曲面的 身、全向隐身等高度隐身的技术要求.在SS天线 加T效率（图6）4习.这种方法的难点在干加工系绪 罩理论设计分析和加工工艺都比较完善的基础上 的设计以及加丁结度的控生制加丁中各种误差的 结合国内外发展形势.提出以下未来发展重点 计会严重影响FSS 天线罩的传输特性 上述两种为 法还均未真正实现工程化应用. 4.1多频FSS天线罩 待加工面工相 目前为了提高战术导弹的命中精度，各种先进 的末制导系统，如宽频带复合毫米波，X波段复合 K波段，X波段复合Kμ波段等复合导引头不围 被采用.相应的需要发展多频段隐身天线罩.多频 段FSS天线罩研制的关键是FSS技术，主要的实现 余径如下： 1)双屏或多屏FSs26,47-5列.双屏或多屏FSs 图6机器人数字化加工系统示意图 的频率响应曲线具有宽带宽和陡降酸止的特性，即 具有比一般单屏FSS更稳定的中心频率和更加陡 目前，我国虽然取得了一定的成果，但是与发 峭的边缘特性.双屏或多屏FSS可以实现多频工 达国家存在着很大的差距，设计分析方面，国内采 作.但增加了整个器件的体积和重量.并目制造出 198401-5
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 在 FSS 参数的改变对带通型 FSS 的影响方面, 蒙志君等人利用模匹配法分析了复合 FSS 结构中 空气缝隙及介质板的作用 [36] . 王焕青等人从物理 本质上分析了 FSS 单元的缝隙宽度对透波性能的 影响 [37] . 黄敏杰等人研究了单元形状的微小改变 对带通型 FSS 的电性能的影响 [38] . 贾宏燕等人则 研究了单元排列方式对带通型 FSS 极化稳定性的 影响, 改进后的 FSS 对 TE, TM 极化获得了几乎相 同的传输特性 [39] . 陈磊等人利用谱域法结合互阻 抗法建立了具有多层介质衬底的低 RCS 双层缝隙 FSS 雷达天线罩的模型, 并具体论证了不同衬底对 频率选择特性的影响 [40] . 而侯新宇等人曾在 1999 年就重点讨论过介质层厚度变化对 FSS 传输特性 及带宽的影响 [41] . 工艺方面, FSS 天线罩制备的关键是如何将 FSS 屏加载到复合材料天线罩上, FSS 屏的加载国 内主要采用两种方法, 一种是在薄膜基底上采用镀 膜、光刻得到柔性 FSS 膜, 然后转移到天线罩上, 这是国内 FSS 天线罩制备常用的、相对比较简单 方法. 制备 FSS 屏时, 一般先将天线罩曲面剖成小 曲面, 再把小曲面延展为平面, 进行平面 FSS 加工； 也可以将整个天线罩曲面延展为平面进行加工. 由 于加工的平面 FSS 不可能与天线罩曲面完全一致, 不可避免会在一定程度上影响 FSS 天线罩的传输 特性. 另一种是数字化机械加工, 吕明云等研究了 复杂频率选择表面加工的五自由度刻铣机器人曲 面加工法及其在大型曲面加工上的应用, 分析掌握 了工艺参数对 FSS 传输性能的影响, 通过建立浮动 电主轴技术和曲面分区法大大提高了 FSS 曲面的 加工效率 (图 6) [42] . 这种方法的难点在于加工系统 的设计以及加工精度的控制, 加工中各种误差的累 计会严重影响 FSS 天线罩的传输特性. 上述两种方 法还均未真正实现工程化应用. 图 6 机器人数字化加工系统示意图 目前, 我国虽然取得了一定的成果, 但是与发 达国家存在着很大的差距. 设计分析方面, 国内采 用平面结构的分析结果来指导 FSS 天线罩的理论 设计和加工. 而 FSS 天线罩一般是曲面的, 电磁波 入射角度变化较大, 并且极化方式不确定, 性能稳 定的 FSS 单元是当前亟待解决的难题. 另外目前 的设计主要在于解决带宽和透波的问题, 欠缺有关 FSS 单元带宽极限的讨论, 针对 FSS 天线罩瞄准误 差、交叉极化瓣、副瓣电平抬高等重要参数的优 化还没有建立很好的设计理论模型; 工艺方面, 复 合材料表面金属化以及激光刻蚀等技术还未完全 突破, 制约了 FSS 的发展. 要实现 FSS 天线罩的工 程化应用以及实现理想的滤波特性, 无论在理论设 计和工艺方法上都要做进一步的探索和研究. 4 频率选择表面天线罩发展趋势 由于国内 FSS 天线罩与国外 FSS 天线罩的发 展程度相差还较大, 所以现阶段的工作重点是在消 化国外已公开资料的基础上, 对 FSS 天线罩进行优 化设计, 解决 FSS 天线罩的一些基本问题, 如高选 择性, 高角度稳定的 FSS; 窄带 FSS 设计; 带内低损 耗设计; 曲面 FSS 设计以及 FSS 曲面加工. 另一方 面, 美国在 2011 年宣布研发新型隐形轰炸机, 将高 度融合并提升第四代战斗机采用的隐身技术, 具有 “全向、宽频” 的 FSS 天线罩的制备将是其重点需 要攻克的技术 [43−45] . 俄罗斯也宣布将在 2017 年前 完成新型战略轰炸机的研制工作 [46] . 在第五代战 斗机、新型战术导弹、新型舰载机等新型武器装 备上, 对雷达天线罩提出了更低的 RCS、多频段隐 身、全向隐身等高度隐身的技术要求. 在 FSS 天线 罩理论设计分析和加工工艺都比较完善的基础上, 结合国内外发展形势, 提出以下未来发展重点. 4.1 多频 FSS 天线罩 目前为了提高战术导弹的命中精度, 各种先进 的末制导系统, 如宽频带复合毫米波, X 波段复合 Kα 波段, X 波段复合 Kµ 波段等复合导引头不断 被采用, 相应的需要发展多频段隐身天线罩. 多频 段 FSS 天线罩研制的关键是 FSS 技术, 主要的实现 途径如下: 1) 双屏或多屏 FSS[26,47−51] . 双屏或多屏 FSS 的频率响应曲线具有宽带宽和陡降截止的特性, 即 具有比一般单屏 FSS 更稳定的中心频率和更加陡 峭的边缘特性. 双屏或多屏 FSS 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 198401-5