材料科学与技术 光机电信息 2003年第9期 频率选择表面及其在隐身技术中的应用 卢俊2，高劲松，孙连春 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130022 2.长春理工大学.吉林长春130022) 摘要频率选择表面(FS)是种二维周期性结构可以有效地控制电磁泼的反射与传输。本文介绍了它的 基本概念，分析方法及其在不同电碳波段的应用，特别在导弹电子战中有着不可替代的应用， 撑也有覆盖层。多屏FSS间要由介质分开 1引言 SS的单元可分为两种类型：金属贴片型和导体 屏上周期性开孔的孔径型，贴片或孔径单元可以 通过现代局部战争（海湾和科索沃战争）可以 有任意的几何形状图1是单元为任意形状的单 看出，精确打击将成为高技术下战争的主旋律，其 入射游 中导弹是一种最具威胁的攻击性武器之一。但导 介质薄想 弹较常规兵器复杂得多，其制导系统也容易受到 各种各样的干扰，尤其来自防御方的电子干扰，这 无疑会使导弹的作战效能降低甚至失效，因而要 采取有效手段提高导弹的抗干扰能力。同时雷达 作为现代战争的火眼金睛，精确探测给导弹实现 季射温 突防和打击带来日益严重的威胁，因此必须采取 图1任意单元的单屏FS 减缩雷达散射截面(RCS)的雷达隐身技术以降 低可探测特征信号，增大探测盲区，提高突防能 力，这是电子战的两个重要内容 雷达隐身的主要工作是通过各种有效手段降 低RCS.然而.目前普遍使用的雷达吸波材料 (RAM)对观通设备却无能为力。本文介绍的频 率选择表面技术是目前解决这一问题的最佳选 择 2频率选择表面 FSS是由大量的无源谐振单元组成的单屏或 多屏周期性阵列结构。SS通常需要有衬底支 图24个基本的SS 1994-2015 China Academie Joumal Electronie House.All rights reserved. http:
频率选择表面及其在隐身技术中的应用 卢俊 1 , 2 , 高劲松 1 , 孙连春 1 (1 .中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ,吉林 长春 130022 ; 2 .长春理工大学 ,吉林 长春 130022) 摘要:频率选择表面(FSS)是一种二维周期性结构, 可以有效地控制电磁波的反射与传输。 本文介绍了它的 基本概念、分析方法及其在不同电磁波段的应用 , 特别在导弹电子战中有着不可替代的应用。 1 引 言 通过现代局部战争(海湾和科索沃战争)可以 看出 ,精确打击将成为高技术下战争的主旋律 ,其 中导弹是一种最具威胁的攻击性武器之一。但导 弹较常规兵器复杂得多 ,其制导系统也容易受到 各种各样的干扰 ,尤其来自防御方的电子干扰 ,这 无疑会使导弹的作战效能降低甚至失效 ,因而要 采取有效手段提高导弹的抗干扰能力。同时雷达 作为现代战争的火眼金睛 ,精确探测给导弹实现 突防和打击带来日益严重的威胁, 因此必须采取 减缩雷达散射截面(RCS)的雷达隐身技术, 以降 低可探测特征信号, 增大探测盲区 , 提高突防能 力,这是电子战的两个重要内容。 雷达隐身的主要工作是通过各种有效手段降 低 RCS 。然而 , 目前普遍使用的雷达吸波材料 (RAM)对观通设备却无能为力。本文介绍的频 率选择表面技术是目前解决这一问题的最佳选 择。 2 频率选择表面 FSS 是由大量的无源谐振单元组成的单屏或 多屏周期性阵列结构。 FSS 通常需要有衬底支 撑, 也有覆盖层 。多屏 FSS 间要由介质分开。 FSS 的单元可分为两种类型 :金属贴片型和导体 屏上周期性开孔的孔径型 ,贴片或孔径单元可以 有任意的几何形状, 图 1 是单元为任意形状的单 图 1 任意单元的单屏 FSS 图 2 4 个基本的 FSS · 1 · 材料科学与技术 光机电信息 2003 年第 9 期
Material Science Technology No.9.Sept.2003 屏孔径型FSS. FSS具有有效地控制电磁波的反射和传输的 特点。当入射电磁波频率在单元的谐振频率上 时，FSS呈现出全反射（贴片型）或全透射（孔径 型)，其他频率的电磁波可透过FSS(贴片型)或被 全反射（孔径型），因此FSS对入射电磁波呈现出 滤波器的功能。依据SS不同的频率响应特性可 分为：带阻型（图2(a)、带通型（图2(b)低通 型（图2(c)及高通型（图2(d) .25 2345678g 对FSS的研究己持续多年，人们针对不同的 场表川2 应用发展了不同的图形单元，Munk将FSS基本 图4频率响应特性 的单元分为四组，分别为： (1)中心连接的、或N极子，如偶极子、三极 由此可见，这个结构的频幸响应是多频段的， 子和耶路撒冷十字等。 并且保持了相等间隔通带的稳定性。 (2)环形.如圆环、矩形环和六角形环等 然而有时为了达到精确设计的要求，以便更 (3)不同形状的贴片 好地控制电磁波反射和传输的频带，除了使用复 (4)上述图形的组合。 杂的单元图形外，通常要使用多屏SS结构，它 随着新的应用要求不断出现，必将出现新的 是两屏或多屏FS的级联这样的结构可创造任 单元设计形式 何一个希望得到的频率响应。尽管这种结构的自 规则的S$单元图形有利于电磁模型的建 由度增多使分析计算的难度增加，但多屏SS结 立，如圆形、矩形单元等。但是有一些图形不能归 构可以获得更多的以及一些特殊的频率响应。图 结为上述的类型，并且往往这些复杂的图形能够 5是三屏S$级联的周期性结构，即众所周知的 提供更好的性能，比如随入射角的变化，可以得到 光子晶体结构。 稳定的频率响应，宽带宽和小的带间隔等。一些 不规则的图形单元也可以在多频段上工作。图3 是线性四边形旋转单元按正方形布阵的FSS,其 频响特性如图4所示。 图5三屏FSS级联结构 必须强调的是，无论贴片型还是孔径型SS 在实际应用中需要有衬底支撑介质衬底的性质 图3四边形旋转单元 对FSS特性有很大的影响，单层及多层介质衬底 1994-2015 China Academic Journal Electronic shing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
屏孔径型 FSS 。 FSS 具有有效地控制电磁波的反射和传输的 特点。当入射电磁波频率在单元的谐振频率上 时, FSS 呈现出全反射(贴片型)或全透射(孔径 型), 其他频率的电磁波可透过 FSS(贴片型)或被 全反射(孔径型),因此 FSS 对入射电磁波呈现出 滤波器的功能。依据 FSS 不同的频率响应特性可 分为:带阻型(图 2 (a))、带通型(图 2(b))、低通 型(图 2(c))及高通型(图 2(d))。 对FSS 的研究已持续多年 ,人们针对不同的 应用发展了不同的图形单元, Munk 将 FSS 基本 的单元分为四组 ,分别为 : (1)中心连接的、或 N 极子, 如偶极子、三极 子和耶路撒冷十字等 。 (2)环形,如圆环 、矩形环和六角形环等。 (3)不同形状的贴片 。 (4)上述图形的组合 。 随着新的应用要求不断出现 , 必将出现新的 单元设计形式。 规则的 FSS 单元图形有利于电磁模型的建 立,如圆形 、矩形单元等。但是有一些图形不能归 结为上述的类型, 并且往往这些复杂的图形能够 提供更好的性能 ,比如随入射角的变化 ,可以得到 稳定的频率响应 ,宽带宽和小的带间隔等 。一些 不规则的图形单元也可以在多频段上工作。图 3 是线性四边形旋转单元按正方形布阵的 FSS , 其 频响特性如图 4 所示 。 图 3 四边形旋转单元 图 4 频率响应特性 由此可见 ,这个结构的频率响应是多频段的, 并且保持了相等间隔通带的稳定性 。 然而有时为了达到精确设计的要求, 以便更 好地控制电磁波反射和传输的频带, 除了使用复 杂的单元图形外, 通常要使用多屏 FSS 结构, 它 是两屏或多屏 FSS 的级联, 这样的结构可创造任 何一个希望得到的频率响应。尽管这种结构的自 由度增多使分析计算的难度增加, 但多屏 FSS 结 构可以获得更多的以及一些特殊的频率响应 。图 5 是三屏 FSS 级联的周期性结构 ,即众所周知的 光子晶体结构 。 图 5 三屏 FSS 级联结构 必须强调的是, 无论贴片型还是孔径型 FSS , 在实际应用中需要有衬底支撑, 介质衬底的性质 对FSS 特性有很大的影响, 单层及多层介质衬底 · 2 · Material Science & Technology OME Information No .9 , Sept.2003
材料科学与技术 光机电信息 2003年第9期 可以改普FSS的特性，因此在实际设计中必须考 系统。准光学系统的核心是位于准直透镜或反期 虑介质效应 镜焦平面上的平面阵列.。这些平面阵列由大量的 贴片或孔径的天线组成，并与有源器件结合在 3FSS的应用 起。对整个准光学系统而言，平面阵列和高斯光 束间的功率耦合效率是关键这里电介质层用来 FSS的应用广泛且形式多样，其范围涉及了 改善平面阵列与高斯光束间的功率耦合。图6中 大部分的电碰波谱。其最初的应用是在抛物面天 圆环中所示部分放大后如图7所示。这是准光学 线上现在已应用到THz技术中的准光学系统、 系统中的倍频器，其中两个带通FSS选择适当的 雷达罩（陆地、机载）、导弹和电磁屏蔽中。 输入和输出频段同时确保必需的单向工作条件」 FSS广泛应用于科学研究和商业领域.用在 微波炉上，开孔金属屏完全反射2.45CHz的微波 能量，并允许光透过（可透过微波炉看到里面的食 物)：在GHz范围可用作滤波器，金属雷达罩、双 工器等：在THz范围可用作偏振器，分光镜、激光 输出耦合器、天线共用器、激光腔镜、法布里-珀 罗干涉仪和滤波器等 在GHz范围，FSS广泛地应用于天线系统 比如为更好地利用反射天线，在两个独立的馈源 之间放入FSS一个馈源的工作频段上的电磁波 几乎被FSS全反射而另外一个馈源的工作频段 图6准光学高斯系统 几乎完全透明。因此，在这样的结构中两个独立 的馈源可以同时共用一个反射天线。实现了频率 在可见光部分通过合理设计，FSS允许自然 复用。在卫星通信系统中，SS可用作频段多工 光中能量较高的频段透过，其他频段被全反射，以 器以扩大通信容量。 此来提高对太阳能的吸收 FSS在GHz频段的另一个重要用途是在雷 由于频率选择表面具有明显的带通或带阻的 滤波特性，因此广泛地用于微波、毫米波直至红外 达罩的设计中。可在雷达罩的设计中加载FSS 频段。特别是在军事上，FSS用于隐身技术和抗 也可以在现有雷达罩上加载FSS。此时的频率选 干扰方面越来越引起人们的重视。 择表面对雷达的工作频段提供带通的传输特性， 隐身技术就是应用目标的外形设计、复合材 而带外频率几乎被完全反射掉，将FSS与雷达罩 料、表面涂覆或其他措施来减少被探测目标的 结合在一起可以有效地缩减自身的CS,从而起 到对雷达波隐身的作用。同时也因为屏蔽掉了工 RCS,以降低雷达对目标的探测距离。达到突防的 目的。就导弹而言，隐身弹体大部分蒙皮采用碳 作频段以外的有害电磁波而提高了抗干扰能力. 纤维夹层结构，这可使大部分雷达波进入夹层后 在THz范围，SS可用作偏振器，分光镜及 反射镜。在分子激光器中为了改善泵浦效率 被泡沫吸收掉。最近Yanan Sha K.A.Joe等 FSS可用作谐振腔镜以提高系统的效率。 人将SS制备到了碳纤维合成物中，对于不同的 图6是常见的工作在THz范围内的准光学 制备样品进行了测试并与没有加载FSS的样品 ?1994-2015 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
可以改善 FSS 的特性 ,因此在实际设计中必须考 虑介质效应。 3 FSS的应用 FSS 的应用广泛且形式多样 ,其范围涉及了 大部分的电磁波谱。其最初的应用是在抛物面天 线上,现在已应用到 THz 技术中的准光学系统、 雷达罩(陆地、机载)、导弹和电磁屏蔽中 。 FSS 广泛应用于科学研究和商业领域 。用在 微波炉上, 开孔金属屏完全反射 2 .45GHz 的微波 能量 ,并允许光透过(可透过微波炉看到里面的食 物);在 GHz 范围可用作滤波器、金属雷达罩、双 工器等 ;在 THz 范围可用作偏振器 、分光镜 、激光 输出耦合器、天线共用器、 激光腔镜 、法布里-珀 罗干涉仪和滤波器等 。 在GHz 范围 , FSS 广泛地应用于天线系统, 比如为更好地利用反射天线, 在两个独立的馈源 之间放入 FSS , 一个馈源的工作频段上的电磁波 几乎被 FSS 全反射, 而另外一个馈源的工作频段 几乎完全透明 。因此 , 在这样的结构中两个独立 的馈源可以同时共用一个反射天线, 实现了频率 复用。在卫星通信系统中 , FSS 可用作频段多工 器以扩大通信容量。 FSS 在 GHz 频段的另一个重要用途是在雷 达罩的设计中 。可在雷达罩的设计中加载 FSS , 也可以在现有雷达罩上加载 FSS 。此时的频率选 择表面对雷达的工作频段提供带通的传输特性, 而带外频率几乎被完全反射掉, 将 FSS 与雷达罩 结合在一起可以有效地缩减自身的 RCS ,从而起 到对雷达波隐身的作用。同时也因为屏蔽掉了工 作频段以外的有害电磁波而提高了抗干扰能力。 在 THz 范围 , FSS 可用作偏振器 , 分光镜及 反射镜 。在分子激光器中为了改善泵浦效率, FSS 可用作谐振腔镜以提高系统的效率 。 图6 是常见的工作在 THz 范围内的准光学 系统 。准光学系统的核心是位于准直透镜或反射 镜焦平面上的平面阵列。这些平面阵列由大量的 贴片或孔径的天线组成 ,并与有源器件结合在一 起。对整个准光学系统而言 ,平面阵列和高斯光 束间的功率耦合效率是关键, 这里电介质层用来 改善平面阵列与高斯光束间的功率耦合 。图 6 中 圆环中所示部分放大后如图 7 所示 。这是准光学 系统中的倍频器,其中两个带通 FSS 选择适当的 输入和输出频段,同时确保必需的单向工作条件。 图 6 准光学高斯系统 在可见光部分通过合理设计 , FSS 允许自然 光中能量较高的频段透过 ,其他频段被全反射,以 此来提高对太阳能的吸收 。 由于频率选择表面具有明显的带通或带阻的 滤波特性 ,因此广泛地用于微波、毫米波直至红外 频段。特别是在军事上 , FSS 用于隐身技术和抗 干扰方面越来越引起人们的重视。 隐身技术就是应用目标的外形设计、复合材 料、表面涂覆或其他措施来减少被探测目标的 RCS ,以降低雷达对目标的探测距离, 达到突防的 目的。就导弹而言, 隐身弹体大部分蒙皮采用碳 纤维夹层结构, 这可使大部分雷达波进入夹层后 被泡沫吸收掉 。最近 Yanan Sha , K .A .Jose 等 人将 FSS 制备到了碳纤维合成物中 ,对于不同的 制备样品进行了测试, 并与没有加载 FSS 的样品 · 3 · 材料科学与技术 光机电信息 2003 年第 9 期
Material Science Technology OME Informat ior N0.9,Scpt.2003 进行对比，发现加载了FSS的某些样品有着特殊 使反射功率得到了有效的缩减】 的反射特性.其反射频段转移到了其他频率范围， 匹配介质板非线性单元阵列 匹配介质 在6时的带通FSS 在nE时的能通SS 图7准光学系统中的倍频器 5结束语 4分析频率选择表面的方法 FSS在导弹电子战中有着诱人的应用前景 Floquet定理是频率选择表面对电磁波传输 这是因为现代战争己实现“运筹帷幄，决胜于千里 与反射特性的分析基础。SS滤波特性与其单元 之外”，是大纵深的非接触作战，导弹在其中扮润 的几何形状、尺寸，排列方式、介质的性质、入射波 着重要的角色。要实现超视距的精确打击赢得高 的极化方式及入射角等诸多因素有关，故对FSS 的作战效能必须具有突防与抗干扰能力，故而必 的分析计算非常复杂，因此FSS的设计属多参数 须采取减缩RCS的雷达隐身技术及抗干扰技术 的优选问题. 以提高突防能力，从而实现对目标出其不意的打 对FSS的集中研究始于20世纪60年代以 后，时至今日已近半个世纪科学家们先后提出了 孔径型FSS是带通滤波材料，制作到导弹的 不同的分析FSS的方法，比如模匹配法、变分法 雷达罩上可以有效地控制雷达波的反射和传输， 矩量法(MOM).等效电路法有限元法(FEM).谱 极大地缩减鼻锥方向的雷达散射截面(RCS),实 域法、有限差分时域法(FDTD)、共轭梯度法(CG) 现对雷达带外隐身，同时也将有效地屏蔽掉有害 及遗传算法(GA)等等。这些分析方法可分为两 电磁波，起到抗干扰的目的，这是综合隐身技术和 类：标量法和矢量法。其中，标量法只能求出FSS 抗干扰中的关键技术。据相关文献报道，美国先 的反射系数和透射系数而无法获得位相和极化信 进战机F-22的雷达罩己使用了FSS技术， 总，且通用性差，优点是计算量小而矢量法可以 目前科研人员正在进行导弹头罩上加载SS 弥补标量法的不足，但缺点是计算量大 的工艺研究工作，这将涉及到大面积曲面镀膜及 在这些方法中，最受欢迎的是有限差分时域 光刻等复杂工艺技术问题。待理论及工艺成熟后 法、有限元法及积分方程法(IEM)与矩量法结合 可将FSS技术运用到飞机的雷达罩上，以及进行 的混合方法 多屏SS的制备工艺研究，（参考文献略）(N0 1994-2015 China Academie Journal ElectronicPshing House.All rights reserved.http:/www.cnki.net
进行对比 ,发现加载了 FSS 的某些样品有着特殊 的反射特性,其反射频段转移到了其他频率范围, 使反射功率得到了有效的缩减 。 图 7 准光学系统中的倍频器 4 分析频率选择表面的方法 Floquet 定理是频率选择表面对电磁波传输 与反射特性的分析基础。 FSS 滤波特性与其单元 的几何形状、尺寸、排列方式、介质的性质 、入射波 的极化方式及入射角等诸多因素有关 , 故对 FSS 的分析计算非常复杂 ,因此 FSS 的设计属多参数 的优选问题。 对 FSS 的集中研究始于 20 世纪 60 年代以 后,时至今日已近半个世纪,科学家们先后提出了 不同的分析 FSS 的方法、比如模匹配法 、变分法 、 矩量法(MOM)、等效电路法, 有限元法(FEM)、谱 域法 、有限差分时域法(FDTD)、共轭梯度法(CG) 及遗传算法(GA)等等 。这些分析方法可分为两 类:标量法和矢量法 。其中, 标量法只能求出 FSS 的反射系数和透射系数而无法获得位相和极化信 息,且通用性差 , 优点是计算量小, 而矢量法可以 弥补标量法的不足, 但缺点是计算量大 。 在这些方法中, 最受欢迎的是有限差分时域 法、有限元法及积分方程法(IEM)与矩量法结合 的混合方法。 5 结束语 FSS 在导弹电子战中有着诱人的应用前景, 这是因为现代战争已实现“运筹帷幄, 决胜于千里 之外” , 是大纵深的非接触作战 ,导弹在其中扮演 着重要的角色 。要实现超视距的精确打击赢得高 的作战效能必须具有突防与抗干扰能力, 故而必 须采取减缩 RCS 的雷达隐身技术及抗干扰技术, 以提高突防能力 , 从而实现对目标出其不意的打 击 。 孔径型 FSS 是带通滤波材料 ,制作到导弹的 雷达罩上,可以有效地控制雷达波的反射和传输, 极大地缩减鼻锥方向的雷达散射截面(RCS), 实 现对雷达带外隐身 , 同时也将有效地屏蔽掉有害 电磁波 ,起到抗干扰的目的 ,这是综合隐身技术和 抗干扰中的关键技术。据相关文献报道, 美国先 进战机 F-22 的雷达罩已使用了 FSS 技术 。 目前科研人员正在进行导弹头罩上加载 FSS 的工艺研究工作 , 这将涉及到大面积曲面镀膜及 光刻等复杂工艺技术问题。待理论及工艺成熟后 可将 FSS 技术运用到飞机的雷达罩上 , 以及进行 多屏 FSS 的制备工艺研究 。(参考文献略)(No. 1) · 4 · Material Science & Technology OME Information No .9 , Sept.2003