专题研究Feature 隐身天线罩的研究现状与发展趋势 文丨孟庆杰樊君石军威张春波成海龙 摘要：天线罩隐身是飞行器隐身技术研究的重点 对提高整机隐身具有重大意义。文章概述了隐身天线罩发园 的轨迹与现状，研究了天线罩隐身的主要技术手段，分析了应用中的关健问题，在此基础上，展望了隐身天线 罩技术未来的发展趋势 关键词：功能性复合材料，天线罩，隐身，须率选择表面(SS) 中图分类号：TN820.8 Research Status and Development Trend of Stealth Radome Abstract:The stea aft stealth technique.which iso analyzes the key problems in its application.On this basis,the paper looks forward to the developmen 天线罩安装在武器装备雷达天线外，保护天线免受 例，天线罩出现大长细比及边条特征的隐身外形，满 气动摩擦产生的力、热冲击以及自然界中的各种环境因素 宽带相控天线超宽频透波要求，兼具隐身特性，即在工 的侵袭。同时，天线罩也是武器装备重达天线发射和接收 作频段内实现高传输，在工作频段外实现溪截止，天线 电磁信号的透波窗口 。天线罩本身对散方雷达波的反射料 罩隐身是飞行器隐身技术研究的重点，对提高整机隐身 常微弱，但位于其内部的雷达天线舱是机体前向三大腔体 具有重大意义。 散射源之一，当电磁波进入天线罩后，经过天线及其支座 本文概述了隐身天线置发展的轨迹与现状，研究了 的多次反射，会在日标头部方向产生很强的回波。 天线罩隐身的主要技术手段，分析了应用中的关健向题 现代局部战争的需求变化和雷达技术的发展对天线 在此基础上，展望了隐身天线罩技术未来的发展趋势。 罩的要求越来越高，在早期天线罩满足空气动力、结构 1隐身天线罩通用材料及国内外发展概况 强度、电性能、耐环境和重量要求的基础上，近年来新 1.1 隐身天线罩通用材料 赋予隐身功能，用于减缩强散射源天线的雷达散射截面 天线罩是功能性复合材料结构件，目前隐身天线 (RCS)。为了实现武器装备的隐身功能，必须在天线 罩多采用层压结构内增加频选结枸层，通过谐振单元形 罩上采取既能将敌方雷达波散射到其他方向又能让自己 状和阵子排布设计，使得天线罩在使用频段范围内具有 的雷达波高效率传输的措施，发展集透波，隐身功能于 良好的功率传输特性，在频带外则实现电磁屏蔽。天线 体的隐身天线罩技术。以美国F-22、F-35战斗机为 眾用层压结构复合材料需满足介电性能、力学性能、 耐 环境性能、重量，寿命、工艺性，成本等方面的综合要 作者简介：玉庆 求。日前。西方国家均致力干发屁完善天线里复合材斜 ，女 1980年生，博士，高领工师，主 的基础材料体系。 天线罩常用的增强材料主要分为无村 纤维和有机纤维，无机纤维包括无碱玻璃纤维、高强度 代表雪 玻璃纤维、高模量玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、低介电 基金项目：四家白然科学盏金(51575081)】 玻璃纤维高强空心玻璃纤维和石英纤维：有机纤维色 10g 018产业用纺织品专刊 1004 China Academie Journal Electronic Publishing House All rights reserve http://www.cnki.ne
专题研究 Feature 108 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 作者简介：孟庆杰，女，1980年生，博士，高级工程师，主要 研究方向为透波复合材料。 作者单位：孟庆杰、樊 君、石军威、张春波，航天特种材料 及工艺技术研究所；成海龙，中国人民解放军驻二一八厂军事 代表室。 基金项目：国家自然科学基金（51575081）。 隐身天线罩的研究现状与发展趋势 文 | 孟庆杰 樊 君 石军威 张春波 成海龙 摘要：天线罩隐身是飞行器隐身技术研究的重点，对提高整机隐身具有重大意义。文章概述了隐身天线罩发展 的轨迹与现状，研究了天线罩隐身的主要技术手段，分析了应用中的关键问题，在此基础上，展望了隐身天线 罩技术未来的发展趋势。 关键词：功能性复合材料；天线罩；隐身；频率选择表面（FSS） 中图分类号：TN820.8 文献标志码：A Abstract: The stealth of radome is the emphasis of the research of aircraft stealth technique, which is of great significance to the improvement of aircraft stealth performance. The paper gives an overview of the historical development and present situation of stealth radome, studies its main technology methods, and analyzes the key problems in its application. On this basis, the paper looks forward to the development direction of stealth radome. Key words: functional composite materials; radome; stealth; frequency selective surface (FSS) 天线罩安装在武器装备雷达天线外，保护天线免受 气动摩擦产生的力、热冲击以及自然界中的各种环境因素 的侵袭。同时，天线罩也是武器装备雷达天线发射和接收 电磁信号的透波窗口，天线罩本身对敌方雷达波的反射非 常微弱，但位于其内部的雷达天线舱是机体前向三大腔体 散射源之一，当电磁波进入天线罩后，经过天线及其支座 的多次反射，会在目标头部方向产生很强的回波。 现代局部战争的需求变化和雷达技术的发展对天线 罩的要求越来越高，在早期天线罩满足空气动力、结构 强度、电性能、耐环境和重量要求的基础上，近年来新 赋予隐身功能，用于减缩强散射源天线的雷达散射截面 （RCS）。为了实现武器装备的隐身功能，必须在天线 罩上采取既能将敌方雷达波散射到其他方向又能让自己 的雷达波高效率传输的措施，发展集透波、隐身功能于 一体的隐身天线罩技术。以美国F－22、F－35战斗机为 例，天线罩出现大长细比及边条特征的隐身外形，满足 宽带相控天线超宽频透波要求，兼具隐身特性，即在工 作频段内实现高传输，在工作频段外实现深截止。天线 罩隐身是飞行器隐身技术研究的重点，对提高整机隐身 具有重大意义。 本文概述了隐身天线罩发展的轨迹与现状，研究了 天线罩隐身的主要技术手段，分析了应用中的关键问题， 在此基础上，展望了隐身天线罩技术未来的发展趋势。 1 隐身天线罩通用材料及国内外发展概况 1.1 隐身天线罩通用材料 天线罩是功能性复合材料结构件，目前隐身天线 罩多采用层压结构内增加频选结构层，通过谐振单元形 状和阵子排布设计，使得天线罩在使用频段范围内具有 良好的功率传输特性，在频带外则实现电磁屏蔽。天线 罩用层压结构复合材料需满足介电性能、力学性能、耐 环境性能、重量、寿命、工艺性、成本等方面的综合要 求。目前，西方国家均致力于发展完善天线罩复合材料 的基础材料体系。天线罩常用的增强材料主要分为无机 纤维和有机纤维，无机纤维包括无碱玻璃纤维、高强度 玻璃纤维、高模量玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维、低介电 玻璃纤维、高强空心玻璃纤维和石英纤维；有机纤维包 Research Status and Development Trend of Stealth Radome DOI:10.16481/j.cnki.ctl.2018.s1.018
Feature专题研究 身、抗干扰性能，成为高性能隐身武器装备的重要组成 括高强聚乙烯纤维、芳纶和聚酰亚胺纤维。增强材料编 部分。 织形式上分为平面编织、仿形编织和立体编织。天线罩 俄罗斯哈身天线置研究方向为等离子体隐身技术。上 用树脂体系包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、双马来酰 世纪50年代开展相关研究工作，并且最早实现了等离子体 亚胺树脂、氢酸酯树脂、聚芳炔树脂、聚酰亚胺树脂」 隐身技术的工程化应用。通过在武晷表面形成开放式等 聚四氟乙烯、有机硅树脂和二氧化硅等无机树脂。隐身 离子体气团，达到吸收、折射敌方雷达波的目的，在舰 天线罩多采用多层介质芯层匹配结构，芯层材料多采用 艇战车等低速武器中应用，对干飞机导弹这类高 Nomex芳纶纸蜂窝，玻聘布蜂窝、PVC泡沫，PMI泡 的飞行器仅局部能够应用。1999年，俄罗斯报道了其在 沫，聚醚酰亚胺泡沫、人工介电可调材料等 克尔德什中心已利用等离子体技术制造出等离子体隐身 1.2隐身天线罩国内外发展概况 飞机，并指出该隐身技术完全不同于美国的“隆低识别 美国隐身技术发展起步最早，主要研究方向为频率 特征 ,而是在飞机的周围形成一种特殊的等离子体云 先轻表而(FSS)技术，KIEBURTZ等人最先简化矩形 这样既不影响飞机的技术性能，还能使飞机的被发现率 槽阵FSS电磁场求解过程，为FSS设计提供理论依据 降低99%以上。为满足飞行器隐身和高精度探测的技术 MUNK等人完成了T形、圆形、十字形等多种图形FSS 要求，各国都在研究新的隐身天线罩技术，包括目前成 论什算.1974年研制出筑一发FSS锥形隐身天线置，不断 为研究热点的超材料、智能蒙皮等技术， 设计改进后，天置并且隐身诱波特性：下一11门战机和 国内隐身天线罩的研究开展较晚。随着上世纪90年 B -2轰炸机采用FSS隐身天线罩技术，并在实战中显万 代国际战场形势对隐身装备的需求逐渐受到重视，隐身 出了优良的性能。2002年，关国F一22战斗机险身天线景 技术成为学术领城研究热点，吸引了我国大量学者进行 采用下SS隐身技术并讲入工程应用阶段《图1），目前险 相关研究，取得了主硕的成果。我国主要发展的也是采 身天线罩已应用于美国LPD 17圣安东尼奥级两柄船地 用FSS加找的险身天线罩技术，加载领率洗择表面的喷身 运输舰隐身桅杆（图2）、E一2“盛眼”预警机、瑞典的 天线罩已开始进入工程应用领城，但总体而言，在工程 维斯比级护卫舰以及法国的拉斐特隐身战舰等多个国家 化设计与制造方面与国外仍有差距 的多种型号的武器装备中，极大地提升了武器装备的 天线罩隐身技术 2.1 外形隐身 外形隐身技术通过特殊的外形设计，减小或消除雷 达波照射到目标表面上产生的镜面散射和角反射。将雷 达波的主要回波能量散射到非探测方向，减小主要威胁 方向的RCS,从而提高目标隐身性能，但该技术通常会 在一定程度上柄牲气动性能。典型的如F-117的外形设 计，在设计时最大限度地追求隐身性能，使用了特殊的 多面体隐身外形（图3），可将表面接收的雷达波能量 国1应用隐身天线罩的F-22 图2采用整体桅杆的关国LPD-17船坞登陆舰 图3关国空军F-117隐身战斗机的外形设计 2018产业用纺级品专刊 109 1002018Chi l Elect ww.cnki.nc
Feature 专题研究 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 109 括高强聚乙烯纤维、芳纶和聚酰亚胺纤维。增强材料编 织形式上分为平面编织、仿形编织和立体编织。天线罩 用树脂体系包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、双马来酰 亚胺树脂、氰酸酯树脂、聚芳炔树脂、聚酰亚胺树脂、 聚四氟乙烯、有机硅树脂和二氧化硅等无机树脂。隐身 天线罩多采用多层介质芯层匹配结构，芯层材料多采用 Nomex®芳纶纸蜂窝、玻璃布蜂窝、PVC泡沫、PMI泡 沫、聚醚酰亚胺泡沫、人工介电可调材料等。 1.2 隐身天线罩国内外发展概况 美国隐身技术发展起步最早，主要研究方向为频率 选择表面（FSS）技术，KIEBURTZ等人最先简化矩形 槽阵FSS电磁场求解过程，为FSS设计提供理论依据； MUNK等人完成了T形、圆形、十字形等多种图形FSS理 论计算，1974年研制出第一发FSS锥形隐身天线罩，不断 设计改进后，天线罩兼具隐身透波特性；F－117战机和 B－2轰炸机采用FSS隐身天线罩技术，并在实战中显示 出了优良的性能。2002年，美国F－22战斗机隐身天线罩 采用FSS隐身技术并进入工程应用阶段（图 1）。目前隐 身天线罩已应用于美国LPD－17圣安东尼奥级两栖船坞 运输舰隐身桅杆（图 2）、E－2“鹰眼”预警机、瑞典的 维斯比级护卫舰以及法国的拉斐特隐身战舰等多个国家 的多种型号的武器装备中，极大地提升了武器装备的隐 身、抗干扰性能，成为高性能隐身武器装备的重要组成 部分。 俄罗斯隐身天线罩研究方向为等离子体隐身技术, 上 世纪50年代开展相关研究工作, 并且最早实现了等离子体 隐身技术的工程化应用。通过在武器表面形成开放式等 离子体气团，达到吸收、折射敌方雷达波的目的，在舰 艇、战车等低速武器中应用，对于飞机、导弹这类高速 的飞行器仅局部能够应用。1999年，俄罗斯报道了其在 克尔德什中心已利用等离子体技术制造出等离子体隐身 飞机，并指出该隐身技术完全不同于美国的“降低识别 特征”，而是在飞机的周围形成一种特殊的等离子体云， 这样既不影响飞机的技术性能，还能使飞机的被发现率 降低99%以上。为满足飞行器隐身和高精度探测的技术 要求，各国都在研究新的隐身天线罩技术，包括目前成 为研究热点的超材料、智能蒙皮等技术。 国内隐身天线罩的研究开展较晚。随着上世纪90年 代国际战场形势对隐身装备的需求逐渐受到重视，隐身 技术成为学术领域研究热点，吸引了我国大量学者进行 相关研究，取得了丰硕的成果。我国主要发展的也是采 用FSS加载的隐身天线罩技术，加载频率选择表面的隐身 天线罩已开始进入工程应用领域，但总体而言，在工程 化设计与制造方面与国外仍有差距。 2 天线罩隐身技术 2.1 外形隐身 外形隐身技术通过特殊的外形设计，减小或消除雷 达波照射到目标表面上产生的镜面散射和角反射，将雷 达波的主要回波能量散射到非探测方向，减小主要威胁 方向的RCS，从而提高目标隐身性能，但该技术通常会 在一定程度上牺牲气动性能。典型的如F－117的外形设 计，在设计时最大限度地追求隐身性能，使用了特殊的 多面体隐身外形（图 3），可将表面接收的雷达波能量散 图 1 应用隐身天线罩的F－22 图 2 采用整体桅杆的美国LPD－17船坞登陆舰 图 3 美国空军F－117隐身战斗机的外形设计
专题研究Feature 射到不同方向，诚小了雷达后向散射，但同时也牲了 的透波特性会发生变化。文献8)和文献[9中分别通过 气动性能，因此F一117不具备超音速飞行能力。随着当 元小型化和多层级联等方式设计了FSS结构，对两种极化 前及未来战场对快速精确打击武器的需求不断增强，各 电磁波谐振频率稳定，对电磁波入射角不做感，具有较 国都在大力研发超声速、高超声速武器，对干飞行器的设 好的宽入射角稳定性】 计通常优先保证气动性能，天线罩或天线窗外形设计时， (2)宽频带设计 应尽量不改变飞行器气动外形，减少表面突变，以减小对 现代制导雷达出于孔径综合、多模以及抗干扰的需 天线置隐身性能的响。总修来说可设计裕度不大 要，正在朝着宽频带方向发展，相应的天线罩也必须是 2.2材料隐身 宽带透波的，而FSS的局域谐振特性本身是窄带的，因而 22.1涂酒材料隐身 需要采取特殊的结构或手段来拓展FSS结构的通带带蛮 涂覆材料隐身丰要指通过在日标表面涂覆单层或彩 文缺10们指出可以通过设计合活的单元结构和诚小单元间 层吸波材料，实现电磁液的低反射。由于涂覆吸波材 距来增加FSS带宽。文献[1设计了 一种3屏FSS结构 会在一定程度上影响结构的透波性能，因而主要用于一些 功率传输系数在0.3dB时带宽为42GHz,在0°一45 对险身性能要求更高的险身天线置中。涂酒吸被材料隐身 入射角度内频响曲线形状一致性非常好，具有宽带宽角 更多用于机腹、进气道、弹体、机翼等部位的隐身 的特性。 此外，20世纪末开展了纳米隐身材料的研究，利用 (3)陡截止滤波特性设计 纳米尺度材料特有的量子效应、小尺寸效应、表面效应 理想的下SS频率响应具有通带内平顶、带外陡截止的 及隧道效应等， 可实现隐身材料“薄”“轻 “ “矩形化 滤波特性，从而既能保证己方需达具有 定 的目标。 的工作带宽，又能尽量反射工作頫带之外的探测信号 2.2,2功能性材料隐身 通常增加FSS层数可以改善“平顶”“陡截止”滤波特 率选择表面是一种二维周期排列的阵列结构 性，但层数的增加势必导致结构复杂度与损耗的增加， 通常是在金属导体表面排布周期性的缝隙或者在介质衬 结构越复杂，其传输特性对结构参数的敏感程度越高 底表面排布周期性的金属贴片，其本质是一种空间滤波 越难以通过对结构调整达到需要的传输特性，同时加工 器，也可看做广义超材料的一种，可以实现对空间电磁 难度和成本都会大幅增加。研究表明，双屏FSS结构是 波的迹频透过功能，是目前国内外应用最广泛的实现雷 较为理想的选择。文献[14中研究了利用双屏FSS结构实 达罗隐身的功能性材料。将F$S加线到天线罩上就可以制 现Butterworth型FSS:文献I15]中设计和制备了一种加载 通指内诱波、通带外反射的隐身天线置。对干己方 FSS的毫米波耐高温天线罩，通过多屏FSS级联改善了陡 达工作频段电磁波 可以低损耗的透过 不影响天线正 截止性能， 3dB带宽与10dB带宽的相对带宽比小于2% 常工作，而对于己方雷达工作频段外的电磁波则相当于 具备平顶和陡截止的矩形化滤被特性 一个全反射的金屈罩，电磁波被散射而不进人垂达舱」 (4)曲面结构的设计及加工 从而消除其腔休效应，结合低散射外形设计，可以有效 在设计FSS时，常采用结合F 0quet定理的全波分机 降低装备RCS。据报道，美国的F一22和F一35在机头雷 方法分析无限大平面FSS的电磁特性，然而实践中，FSS 达罩上采用了该技术，并结合外型设计达到雷达隐身的 阵列通常是有限大的非平面阵列.入射波为非平面波， 目的 并且FSS各单元具有不同的曲率半径，这些因素导致 目前SS天线罩仍属于较为前沿的技术，各种可用 面FSS设计与性能预估成为FSS天线罩技术中最有挑战性 于隐身天线罩的FSS结构被设计出来，但FSS加载的隐身 的部分少一目的围内外均无高效的整罗性能分析的软 天线罩在设计和应用中还存在一些向题，包括以下几个 件，在天线罩几何建模方面的任何误差均可能对仿真结 方面。 果的准确性造成较大影响。 些商用软件可以用于该 (1)宽入射角范围内的性能稳定性设计 问题的分析，但是共庞大的计算量导致工程中实用性较 天线的波束扫描会在天线罩壁形成较大的入射角变 差。也有学者做过这方面的努力。文献[16中研究了针对 化范围，FSS对两种极化波的响应存在差异，随着入射角 FDTD算法的有限大鱼面FS 三维建模方法。文献1 及共引起的入射电磁波极化分量变化，加载FSS的天线录 分析了几种典型曲面的传输和散射特性，但对如机载火 110 2018产业用纺级是专刊 100 18China Academie Joural Electronic Publishing House http://www.cnki.ne
专题研究 Feature 110 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 射到不同方向，减小了雷达后向散射，但同时也牺牲了 气动性能，因此F－117不具备超音速飞行能力。随着当 前及未来战场对快速精确打击武器的需求不断增强，各 国都在大力研发超声速、高超声速武器，对于飞行器的设 计通常优先保证气动性能，天线罩或天线窗外形设计时， 应尽量不改变飞行器气动外形，减少表面突变，以减小对 天线罩隐身性能的影响，总体来说可设计裕度不大。 2.2 材料隐身 2.2.1 涂覆材料隐身 涂覆材料隐身主要指通过在目标表面涂覆单层或多 层吸波材料，实现电磁波的低反射。由于涂覆吸波材料 会在一定程度上影响结构的透波性能，因而主要用于一些 对隐身性能要求更高的隐身天线罩中。涂覆吸波材料隐身 更多用于机腹、进气道、弹体、机翼等部位的隐身。 此外，20世纪末开展了纳米隐身材料的研究，利用 纳米尺度材料特有的量子效应、小尺寸效应、表面效应 及隧道效应等，可实现隐身材料“薄”“轻”“宽”“强” 的目标。 2.2.2 功能性材料隐身 频率选择表面是一种二维周期排列的阵列结构， 通常是在金属导体表面排布周期性的缝隙或者在介质衬 底表面排布周期性的金属贴片，其本质是一种空间滤波 器，也可看做广义超材料的一种，可以实现对空间电磁 波的选频透过功能，是目前国内外应用最广泛的实现雷 达罩隐身的功能性材料。将FSS加载到天线罩上就可以制 造通带内透波、通带外反射的隐身天线罩。对于己方雷 达工作频段电磁波，可以低损耗的透过，不影响天线正 常工作，而对于己方雷达工作频段外的电磁波则相当于 一个全反射的金属罩，电磁波被散射而不进入雷达舱， 从而消除其腔体效应，结合低散射外形设计，可以有效 降低装备RCS。据报道，美国的F－22和F－35在机头雷 达罩上采用了该技术，并结合外型设计达到雷达隐身的 目的。 目前FSS天线罩仍属于较为前沿的技术，各种可用 于隐身天线罩的FSS结构被设计出来，但FSS加载的隐身 天线罩在设计和应用中还存在一些问题，包括以下几个 方面。 （1）宽入射角范围内的性能稳定性设计 天线的波束扫描会在天线罩壁形成较大的入射角变 化范围，FSS对两种极化波的响应存在差异，随着入射角 及其引起的入射电磁波极化分量变化，加载FSS的天线罩 的透波特性会发生变化。文献[8]和文献[9]中分别通过单 元小型化和多层级联等方式设计了FSS结构，对两种极化 电磁波谐振频率稳定，对电磁波入射角不敏感，具有较 好的宽入射角稳定性。 （2）宽频带设计 现代制导雷达出于孔径综合、多模以及抗干扰的需 要，正在朝着宽频带方向发展，相应的天线罩也必须是 宽带透波的，而FSS的局域谐振特性本身是窄带的，因而 需要采取特殊的结构或手段来拓展FSS结构的通带带宽。 文献[10]指出可以通过设计合适的单元结构和减小单元间 距来增加FSS带宽。文献[11]设计了一种 3 屏FSS结构， 功率传输系数在0.3 dB 时带宽为4.2 GHz，在 0°～ 45° 入射角度内频响曲线形状一致性非常好，具有宽带宽角 的特性。 （3）陡截止滤波特性设计 理想的FSS频率响应具有通带内平顶、带外陡截止的 “矩形化”滤波特性，从而既能保证己方雷达具有一定 的工作带宽，又能尽量反射工作频带之外的探测信号。 通常增加FSS层数可以改善“平顶”“陡截止”滤波特 性，但层数的增加势必导致结构复杂度与损耗的增加， 结构越复杂，其传输特性对结构参数的敏感程度越高， 越难以通过对结构调整达到需要的传输特性，同时加工 难度和成本都会大幅增加。研究表明，双屏FSS结构是 较为理想的选择。文献[14]中研究了利用双屏FSS结构实 现Butterworth型FSS；文献[15]中设计和制备了一种加载 FSS的毫米波耐高温天线罩，通过多屏FSS级联改善了陡 截止性能，3 dB带宽与10 dB带宽的相对带宽比小于2%， 具备平顶和陡截止的矩形化滤波特性。 （4）曲面结构的设计及加工 在设计FSS时，常采用结合Floquet定理的全波分析 方法分析无限大平面FSS的电磁特性，然而实践中，FSS 阵列通常是有限大的非平面阵列，入射波为非平面波， 并且FSS各单元具有不同的曲率半径，这些因素导致曲 面FSS设计与性能预估成为FSS天线罩技术中最有挑战性 的部分之一。目前国内外均无高效的整罩性能分析的软 件， 在天线罩几何建模方面的任何误差均可能对仿真结 果的准确性造成较大影响。一些商用软件可以用于该类 问题的分析，但是其庞大的计算量导致工程中实用性较 差。也有学者做过这方面的努力。文献[16]中研究了针对 FDTD算法的有限大曲面FSS的三维建模方法。文献[17] 分析了几种典型曲面的传输和散射特性，但对如机载火
Feature专题研究 控雷达等复杂曲面的FSS罩电磁模拟没有涉及，有待进 层中间封入情性气体，在高压电极的作用下，情性气体 步研究。 电离形成等离子体。可以通过电信号方便地在等离子体 另外，除设比之外，复杂曲而FSS的加工也品FSS天 与惰性气体间切换。当需要躲避敌方雷达时，切换为等 线罩应用的关键向题之 一下SS天线置制条的关镜是如何 离子体态，吸收和损耗敌方探测雷达波，降低被探测 将FSS单元结构加载到复合材料天线罩上，目前主要有两 的概率，当己方雷达工作时，切换为惰性气体态，减小 种方式，一种是在溅膜基底上通过掩照光刻得到柔性FSS 雷达波的传输损耗，保证己方雷达正常工作 膜，然后分块转移贴覆在曲面天线罩壁上。这种方法易 这种隐身天线罩既降低了技术难度，很好地解决 于实现，但分块造成的接缝与单元结枸的不连续也会 了自由等离子体方式的气体散失和气体携带量有限的间 FSS性能造成影响。另一种是方法是先利用镀膜工艺将曲 题，又能解快等离子体表面分布不均的难题，同时由于 面天线罩表面金属化，然后在曲面表面直接刻铣出FS单 内封闭等离子体结构隐身单元在电信号控制下，可方便 元结构 这种方法能够较好地保证结构的完整性，但 实现导弹隐身和导弹雷达开机探测之间转换，快速的于 也存在加工周期长、加工精度难控制等问题，目前还未 关速度很好地解决了自由态等离子体隐身的弊端，因 真正实现工程化应用。国内各研究机构也在尝试对镀膜 不会对己方形成屏蓝和千扰 刻蚀工艺进行改进，同时积极探素新的成型工艺。文献 文献[25]中提出了一种薄层等离子体隐身天线罩树 [20]提出了一种基于3D打印技术的曲面FSS设计、制作 型，并利用FDTD方法分析了等离子体电子密度和碰撞 方法，并验证了可行性，为曲面FSS天线罩加工提供了 率对其隐身效果的影响，通过计算发现薄层等离子体天 新途径。 线罩的隐身机理主要有两个方面：当入射波须率小于等 (5)自身反射 离子体特征频率时，等离子体对入射波是截止的，结合 通常认为FS$的带外高反低诱特性和会金尾表面的反 置体是低散射外形实现隐身：当入射波频率大干等离子 射特峰类似，文献21通过分析表明并非如此，必须考虎 体持征瓶率时，部分电磁波能进人天线置，但因等离子 频选天线罩的透射和罩内的腔体效应导致的电磁波能品 体对入射波的吸收、衰减实现隐身。可以看到，在等 聚集和二次辐射，这些因素对覆盖频选雷达腔体的RCS 子体频率以下频段，等离子体隐身需要配合低散射外形 产生很大的影响。通过在天线置腔内加入吸波材料可以 实现隐身，否会存在强的特面反射，影隐身效果 有效减弱这种效应造成的影响 降低RCS。同时 空 如图4所示。因此在等离子体隐身设计时需综合考虑 体的雷达探测系统对未来武器装备提出了全向隐身的 离子体的截止和吸收效应」 要求，文戴22]通过在结构中加找电阻使FSS结构具有稳 0 定带内传输特性的同时在较宽的带外频率表现出显著的 PEC天线 吸波特性。应用于天线罩时，面对多基雷达的探测也能 实现雷达天线系统较好的隐身 2.3等离子体隐身 等离子体是一种特殊的滤波器，当雷达频率低于等 -50 离子体频率时蛋达波被全反射。第离子体隐身节术有 102 两种思路，一种是将等离子发生器放电管作为天线，发 园4薄层等离子体罩母线法向隐身效果 展等离子体隐身天线。通电时，其内情性气体电离就成 总体而言，等离子体天线罩目前仍在研究开发过程 为导体，可发射接收无线电信号：断电时，则可吸收 中，而频率选择表面天线罩已进入工程应用阶段，不过 折射成寺减电磁波信号，达到隆低可探润性的目的。另 在雷达工作频带内很难拥有较优良的隐身效果，还需不 种思路是在武器的表面形成等离子气团，利用等离 断改进与完善 体层对电磁波的特殊折射效应和吸收、衰减作用将雷达 3隐身天线罩技术未来发展方向 波损耗。吸收。以减少宙达目标的电磁回波能量。隆低 现代战条中航空航天武器装备发挥着巨大作用，已 目标被探测到的概率。利用等离子体对电磁波的这种反 经成为影响战争胜负的关键因素。世界各主要国家已经 射、折射和吸收等效应，将天线罩设计为夹层结构，夹 开始六代机的研究工作。根据美国、俄罗斯等国六代机 018产业用纺级专刊 111 1994-2018 China Academie Jou ww.cnki.ne
Feature 专题研究 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 111 控雷达等复杂曲面的FSS罩电磁模拟没有涉及，有待进一 步研究。 另外，除设计之外，复杂曲面FSS的加工也是FSS天 线罩应用的关键问题之一。FSS天线罩制备的关键是如何 将FSS单元结构加载到复合材料天线罩上，目前主要有两 种方式，一种是在薄膜基底上通过掩膜光刻得到柔性FSS 膜，然后分块转移贴覆在曲面天线罩壁上。这种方法易 于实现，但分块造成的接缝与单元结构的不连续也会对 FSS性能造成影响。另一种是方法是先利用镀膜工艺将曲 面天线罩表面金属化，然后在曲面表面直接刻铣出FSS单 元结构，这种方法能够较好地保证结构的完整性，但是 也存在加工周期长、加工精度难控制等问题，目前还未 真正实现工程化应用。国内各研究机构也在尝试对镀膜/ 刻蚀工艺进行改进，同时积极探索新的成型工艺。文献 [20]提出了一种基于3D打印技术的曲面FSS设计、制作 方法，并验证了可行性，为曲面FSS天线罩加工提供了 新途径。 （5）自身反射 通常认为FSS的带外高反低透特性和全金属表面的反 射特性类似，文献[21]通过分析表明并非如此，必须考虑 频选天线罩的透射和罩内的腔体效应导致的电磁波能量 聚集和二次辐射，这些因素对覆盖频选雷达腔体的RCS 产生很大的影响。通过在天线罩腔内加入吸波材料可以 有效减弱这种效应造成的影响，降低RCS。同时，空天 一体的雷达探测系统对未来武器装备提出了全向隐身的 要求，文献[22]通过在结构中加载电阻使FSS结构具有稳 定带内传输特性的同时在较宽的带外频率表现出显著的 吸波特性。应用于天线罩时，面对多基雷达的探测也能 实现雷达天线系统较好的隐身。 2.3 等离子体隐身 等离子体是一种特殊的滤波器，当雷达频率低于等 离子体频率时, 雷达波被全反射。等离子体隐身技术有 两种思路，一种是将等离子发生器放电管作为天线，发 展等离子体隐身天线。通电时，其内惰性气体电离就成 为导体，可发射接收无线电信号；断电时，则可吸收、 折射或衰减电磁波信号，达到降低可探测性的目的。另 一种思路是在武器的表面形成等离子气团，利用等离子 体层对电磁波的特殊折射效应和吸收、衰减作用将雷达 波损耗、吸收，以减少雷达目标的电磁回波能量，降低 目标被探测到的概率。利用等离子体对电磁波的这种反 射、折射和吸收等效应，将天线罩设计为夹层结构，夹 层中间封入惰性气体，在高压电极的作用下，惰性气体 电离形成等离子体。可以通过电信号方便地在等离子体 与惰性气体间切换。当需要躲避敌方雷达时，切换为等 离子体态，吸收和损耗敌方探测雷达波，降低被探测到 的概率；当己方雷达工作时，切换为惰性气体态，减小 雷达波的传输损耗，保证己方雷达正常工作。 这种隐身天线罩既降低了技术难度，很好地解决 了自由等离子体方式的气体散失和气体携带量有限的问 题，又能解决等离子体表面分布不均的难题，同时由于 内封闭等离子体结构隐身单元在电信号控制下，可方便 实现导弹隐身和导弹雷达开机探测之间转换，快速的开 关速度很好地解决了自由态等离子体隐身的弊端，因而 不会对己方形成屏蔽和干扰。 文献[25]中提出了一种薄层等离子体隐身天线罩模 型，并利用FDTD方法分析了等离子体电子密度和碰撞频 率对其隐身效果的影响，通过计算发现薄层等离子体天 线罩的隐身机理主要有两个方面：当入射波频率小于等 离子体特征频率时，等离子体对入射波是截止的，结合 罩体是低散射外形实现隐身；当入射波频率大于等离子 体特征频率时，部分电磁波能进入天线罩，但因等离子 体对入射波的吸收、衰减实现隐身。可以看到，在等离 子体频率以下频段，等离子体隐身需要配合低散射外形 实现隐身，否则会存在强的镜面反射，影响隐身效果， 如图 4 所示。因此在等离子体隐身设计时需综合考虑等 离子体的截止和吸收效应。 图 4 薄层等离子体罩母线法向隐身效果 总体而言，等离子体天线罩目前仍在研究开发过程 中，而频率选择表面天线罩已进入工程应用阶段，不过 在雷达工作频带内很难拥有较优良的隐身效果，还需不 断改进与完善。 3 隐身天线罩技术未来发展方向 现代战争中航空航天武器装备发挥着巨大作用，已 经成为影响战争胜负的关键因素。世界各主要国家已经 开始六代机的研究工作。根据美国、俄罗斯等国六代机 频率/GHz δ/dBsm 20 10 0 －10 －20 －30 －40 －50 PEC天线罩 等离子体天线罩 0 2 4 6 8 10 12
专题研究Feature 的概念方案，六代机的主要特点包括：高空高速、全 等离子体技术在军事中的应用0.自然杂志，200 21)41-43 谱全向隐身，采用定向能武器、航电系统的高度综合化 与信息网络化，并且隐身要求会在五代机基础上有所提 )阮修。雷达做面与隐身技术M.北京：国防工业出版社， 高，隐身范围必须是全向的 用蒙志君，王立峰，武哲.雷达舱隐身措。飞航导弹，2006 需求牵引技术发展趋势，雷达天线罩作为航空航 天武器装备的重要组成部分，其技术、功能、性能的跨 面新单元研几.物理学报。2008 越，对于新一代航空武器装备功能、性能跨越的实现具 杨开平，杨崇，罗欢，等，机我通供数据链系统隐身技术 有重要的影响，高隐身（全向全频谱）、超宽频带、高透 行技术研与发。飞航导殊 波。耐大功率、面高温。透衰米波、雷达/红外双模复合 将是未来雷达天线罩的发展方向。特别是随着武器装备 雷达探测、制导系统的升级换代，雷达探测距离和精度 网正剑波，卢俊。双屏频选择表面结构的遗传算法优化川。物 得到大幅提升，对未来天线罩隐身设计提出了更高的要 10 求。 理张文 雷达电性能的基本问题及解 雷达科学 与鼓术.2012.10(5 336 34 天线罩隐身设计未来的发展大致可分为3个维度 11] 决方法， 选择表面的设计 分别是频域、时城以及空（角）域。频域隐身主要指在 12.348 KBA.Fr ve Surface:Theory and Desigr 频域对电磁透波及散射的控制，目前广泛采用的F$$技术 是一种典型的频域隐身手段，随着雷达多模复合技术的 and Grid.New ork:Wiley 1995 发展，宽带、多频段透波的隐身天线罩是天线罩频域院 身的重要发展方向：时域隐身主要是通过控制雷达波散 射或透过的时间来提升天线罩的隐身性能，目前的天线 494 罩普遍透波状态固定， 无法调控，在不需要透波的雷达 矩形化通带频 关机时间内依然能够透讨电磁波，不利干目标的险身」 16赵芳芳，曹群生，胡明春。有限大曲面本选择表面的建 因而不论是采用FSS隐身，还是等离子体隐身的天线罩 01 39(4) 通过有源加载实现透波时间可调也是未来隐身天线罩发 性分析。南京理工大学学根白然学 表面电磁料 2012.36 展的方向之一：空（角）域隐身主要指针对某些重点成 胁方向的隐身设计，如鼻锥方向机方向第，空域 身采用的主要手段是低散射的外形设计，随着各国天址 祝明， 王焕青 等，复杂曲面FSS加工系统研究). 体察打系统的不断发展完善，对目标的成胁可能来自 2高劲公.于立体打印技术制作面频率选择表.实验 各个方向，要提高武器战场生存能力，丢要目标具各全 向隐身性能， 2 研究与探索，2015.4(3）：4 对于天线罩隐身，仅依靠传统FS$难以实现全向隐 身，天线罩全向隐身性能的新材料、新技术同样也是隐 22 的隐身特性研究 身天线罩未来发展的方向之 另外 超表面等超材料 技术等新的隐身原理及工程化应用的探索也是隐身天线 [2陈松林。马红星。等离子体技术在天线隐身中的应用)。雷达 罩技术研究的重要方向。 2刘味义.等体在航空险身工程应用的干问题探索机。飞 机设计 2001(3)：7-1 休险身天线罩散射分析 2张明习，轩立新，刘晓春。飞行器高性能雷达天线翠技术发展 参老文献 折m代法.016.385)，58-63 112 2018产业用纺级是专刊 00 8 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserve http:/www.cnki.net
专题研究 Feature 112 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 的概念方案，六代机的主要特点包括：高空高速、全频 谱全向隐身、采用定向能武器、航电系统的高度综合化 与信息网络化，并且隐身要求会在五代机基础上有所提 高，隐身范围必须是全向的。 需求牵引技术发展趋势，雷达天线罩作为航空航 天武器装备的重要组成部分，其技术、功能、性能的跨 越，对于新一代航空武器装备功能、性能跨越的实现具 有重要的影响，高隐身（全向全频谱）、超宽频带、高透 波、耐大功率、耐高温、透毫米波、雷达/红外双模复合 将是未来雷达天线罩的发展方向。特别是随着武器装备 雷达探测、制导系统的升级换代，雷达探测距离和精度 得到大幅提升，对未来天线罩隐身设计提出了更高的要 求。 天线罩隐身设计未来的发展大致可分为 3 个维度， 分别是频域、时域以及空（角）域。频域隐身主要指在 频域对电磁透波及散射的控制，目前广泛采用的FSS技术 是一种典型的频域隐身手段，随着雷达多模复合技术的 发展，宽带、多频段透波的隐身天线罩是天线罩频域隐 身的重要发展方向；时域隐身主要是通过控制雷达波散 射或透过的时间来提升天线罩的隐身性能，目前的天线 罩普遍透波状态固定，无法调控，在不需要透波的雷达 关机时间内依然能够透过电磁波，不利于目标的隐身， 因而不论是采用FSS隐身，还是等离子体隐身的天线罩， 通过有源加载实现透波时间可调也是未来隐身天线罩发 展的方向之一；空（角）域隐身主要指针对某些重点威 胁方向的隐身设计，如鼻锥方向、机腹方向等，空域隐 身采用的主要手段是低散射的外形设计，随着各国天地 一体察打系统的不断发展完善，对目标的威胁可能来自 各个方向，要提高武器战场生存能力，需要目标具备全 向隐身性能。 对于天线罩隐身，仅依靠传统FSS难以实现全向隐 身，天线罩全向隐身性能的新材料、新技术同样也是隐 身天线罩未来发展的方向之一。另外，超表面等超材料 技术等新的隐身原理及工程化应用的探索也是隐身天线 罩技术研究的重要方向。 [2] 曹金祥．等离子体技术在军事中的应用[J]．自然杂志，2000， 22（1）：41－43． [3] 阮颖铮．雷达截面与隐身技术[M]．北京：国防工业出版社， 1998． [4] 蒙志君，王立峰，武哲．雷达舱隐身措施[J]．飞航导弹，2006 （9）：30－34． [5] 李小秋，高劲松，赵晶丽，等．一种适用于雷达罩的频率选择 表面新单元研究[J]．物理学报，2008，57（6）：3803－3806． [6] 杨开平，杨崇刚，罗欢吉，等．机载通信数据链系统隐身技术 研究[J]．航空精密制造技术，2017，53（6）：12－16． [7] 贺媛媛，周超．飞行器隐身技术研究与发展[J]．飞航导弹， 2012（1）：84－91． [8] 施凌飞，宗志园，许戎戎，等．基于电容加载的圆环缝隙频率 选择表面研究[J]．电子学报，2010，38（6）：1362－1365． [9] 汪剑波，卢俊．双屏频率选择表面结构的遗传算法优化[J]．物 理学报，2011，60（5）：681－684． [10] 刘晓春，张文武，孙世宁．频选雷达罩电性能的基本问题及解 决方法[J]．雷达科学与技术，2012，10（3）：336－340． [11] 王立超，张强，冯晓磊，等．宽带多屏频率选择表面的设计研 究[J]．现代雷达，2012，34（8）：63－66． [12] MUNK B A．Frequency Selective Surface：Theory and Design [M]．New York：Wiley，2000． [13] WU T K．Frequency Selective Surface and Grid Array[M]．New York：Wiley，1995． [14] 徐念喜，冯晓国，梁凤超，等．对称双屏Butterworth 型频率 选择表面的设计[J]．光学精密工程，2011，19（7）：1486－ 1494． [15] 赵伟，刘建新，赵腾伦．复合FSS的毫米波“矩形化”通带频 率选择天线罩[J]．现代雷达，2016，38（6）：63－66． [16] 赵芳芳，曹群生，胡明春．有限大曲面频率选择表面的建模 [J]．计算机与数字工程，2011，39（4）：5－7． [17] 何小祥，薛尉，徐伟，等．大规模柱面频率选择表面电磁特 性分析[J]．南京理工大学学报（自然科学版），2012，36 （1）：112－117． [18] 鲁戈舞，张剑，杨洁颖，等．频率选择表面天线罩研究现状和 发展趋势[J]．物理学报， 2013，62（19）：1－10． [19] 吕明云，祝明，王焕青，等．复杂曲面FSS加工系统研究[J]． 航空学报，2005，26（4）：524－527． [20] 高劲松．基于立体打印技术制作曲面频率选择表面[J]．实验室 研究与探索，2015，34（3）：4－7． [21] 陈强，郭鹏斐，刘立国，等．具有吸波特性的频率选择表面设 计[A]．中国电子学会．2013年全国微波毫米波会议论文集[C]． 重庆：电子工业出版社，2013：1665－1667． [22] 鄢学全，任嘉莹，张德生，等．天线频选罩的隐身特性研究 [J]．电波科学学报，2018，33（2）：126－131． [23] 陈松林，马红星．等离子体技术在天线隐身中的应用[J]．雷达 科学与技术，2005（3）：140－143． [24] 刘春义．等离子体在航空隐身工程应用的若干问题探索[J]．飞 机设计，2001（3）：7－15． [25] 孟刚，莫锦军，任爱民．薄层等离子体隐身天线罩散射分析 [J]．导弹与航天运载技术，2008（3）：33－36． [26] 张明习，轩立新，刘晓春．飞行器高性能雷达天线罩技术发展 趋势[N]．中国航空报，2015－08－18（01）． [27] 许群，刘少斌，王云香．六代机天线罩技术需求与发展方向分 析[J]．现代雷达，2016，38（5）：58－63． 参考文献 [1] 谌国森．等离子技术在飞航导弹隐身中的应用[J]．飞航导弹， 2009（9）：35－37．