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
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,Na.19(2013)198401 复杂.在国外，双屏或多屏的理论比较成熟，并已 规则的FSS单元图形虽然不利于电磁模型的建立 经 工程上得到了实际的应用，但是涉及军事技术 但这些单元往往能够提供FSS更好的性能，比如魔 外文献很少对双屏或多屏FSS的研究成果进行 入射角的变化可以得到稳定的频率响应、宽带货 具体的过论只对多屏SS的理论分析方法讲行了 和间隔带小等.不想则的SS单元在多频段上工作 报消国内学者基本上只对双屏SS讲行了理论分 时能克服组合单元和分形下SS单元各自的一些限 析，没有进行深入的研究，多屏SS的研究几乎没 制因素，但是不规则单元理论计算复杂 有.双屏或多屏FSS的研究除了单屏SS需要矿 叫达 究的参数外.需要对双屏或多屏FSS的排列对准和 特性 FSS屏中间介质的优选等参数一并进行设计分析 多频FSS的成功研制还可以解决非倍频双频 由于多屏SS的复杂性双屏下SS是研究重点 天线罩的研制难题。 4.2智能FSS天线罩 响应的名种SS单元组合或者是具有多频案响应 众所周知，机载或弹载雷达通常在相当长的平 的单元.比如，分形FSS单元和不规则FSS单元.单 飞时间内天线处于不工作状态，只有接近目标时 屏下SS具有体积小、低损耗竿代点 启动雷达，而飞行器最容易在平飞的这段时间内受 )组合FSS单元.组合FSS单元可以实现多频 到敌方雷达的截获和跟案利用这个特占采用智 工作，但是组合FSS设计较复杂，特别是不同单元 能天线置可确保雷达在平飞阶段处于隐身状态 之间的间距，间距需要足够大以容纳不同频率响应 在末制导阶段处于透波状态，目前智能隐身天线 单元，同时又要小于第一栅瓣的出现值.组合FSS 罩技术包括频率 选择表面 抛洒金属薄膜 电 单元设计时还需要考虑以下三个方面：高频响应 空隐身、等离子体技术等.抛洒金属薄膜隐身效男 单元不能影响低频响应单元的阻带，反之亦然 好.但是在隐身到切换的过程中，抛洒物会对发动 或多 子阵列必须是规则周期：设计周期时整 机造成损害：电可控技术的思路是采用导电绝终 FSS工作频率范围内不能出现栅瓣 状态可控的导由高娶物作为材料基础但单种采用 b)分形FSS单元.具有多频带 低损耗的特 是由点 聚物薄膜难以实施电切换 要加入固体电 占并日传输性能随电磁波入射方向改变不大分 解质膜，而固体电解质膜的介电常数 ,影响 个简单的图形进行线性转换得 天线罩切换后的透波率.等离子体技术还处于探 到的，转换包括复制、 缩放和转化 分形FSS单元 阶段尚不能解决等离子体发生器低功率化、尺寸 具有由于分形单元的相似性而表现出相似的频率 小型化等关罐性技术难题频率选择表面是首选 特性同时由千洪代单元间的不同尺寸参新导致中 术，但是在敌方雷达和我方雷达工作频率相差不大 心频的不同.所以可在单屏FSS上实现多顷带通 隐 到限制 的特性，可用于 所以需要发用 智能FSS天 ESS 天线罩 分形结构设计的优多 线，以进一步完善FSS天线單的功能 在于可以实现多频选择性能的同时能有效的缩 智能SS天线罩建立在主动频率选择表面搜 单元间距，推迟栅瓣的出现.目前文献研究最多的 术(active frequency selective surface.AFSS.t也称有 分形单元句括而nkowsi单元和Siemninsk单元建 顶SS的基础之上AESS天线利用对齿指频 他单元基木上是上述两种单元的行生国外自20 的可调，达到隐身目 ]时通过微调来弥补谐折 世纪90年代开始对分形FSS 单元进 研究 提出 赖率和实际需求之间的偏 .AFSS的概念由英 了Sierpinsk偶极子，十字形，正方贴片等基础 KENT大学首次明确提出，使FSS实现频率特性的 单元.其中分形Sierpinsk单元已成功运用于多频谐 动态可调成为可能国内外对其应用报道较少且大 指器件中.近年羊国学著D0gh1a8第人其于遗传 都集中于其在吸波材料上的应用.因此AFSS天线 算法代化出了几种复杂结构分形S5内对分形 罩有可能成为 个新的研究方 FSS的研究以Y形， 圆形 十字架形等简单】 在实际使用中，FSS必须依附在介质基底】 基础单元为主，还未真正在天线罩上得到应用。制 介质基底一方面增强机城强度，另一方面能影 造比较麻烦是制约分形FSS发展的一个重要因素 FS的性能.相对于传统电阻片的阻抗而言.烦 c)非规则型FSS单元.比如说Bitmap FSS.非 选择表面的阻抗调节具有更大的自由度，AFSS是 98401-
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 较复杂. 在国外, 双屏或多屏的理论比较成熟, 并已 经在工程上得到了实际的应用, 但是涉及军事技术, 国外文献很少对双屏或多屏 FSS 的研究成果进行 具体的讨论, 只对多屏 FSS 的理论分析方法进行了 报道. 国内学者基本上只对双屏 FSS 进行了理论分 析, 没有进行深入的研究, 多屏 FSS 的研究几乎没 有. 双屏或多屏 FSS 的研究除了单屏 FSS 需要研 究的参数外, 需要对双屏或多屏 FSS 的排列对准和 FSS 屏中间介质的优选等参数一并进行设计分析. 由于多屏 FSS 的复杂性, 双屏 FSS 是研究重点. 2) 单屏 FSS[52−62] . 单屏 FSS 要实现多频段特 性主要是通过 FSS 单元形式. 可以是具有不同频率 响应的多种 FSS 单元组合或者是具有多频率响应 的单元, 比如, 分形 FSS 单元和不规则 FSS 单元. 单 屏 FSS 具有体积小、低损耗等优点. a) 组合 FSS 单元. 组合 FSS 单元可以实现多频 工作, 但是组合 FSS 设计较复杂, 特别是不同单元 之间的间距, 间距需要足够大以容纳不同频率响应 单元, 同时又要小于第一栅瓣的出现值. 组合 FSS 单元设计时还需要考虑以下三个方面: 高频响应 单元不能影响低频响应单元的阻带, 反之亦然; 两 个或多个子阵列必须是规则周期; 设计周期时整个 FSS 工作频率范围内不能出现栅瓣. b) 分形 FSS 单元. 具有多频带、低损耗的特 点, 并且传输性能随电磁波入射方向改变不大. 分 形单元是通过对一个简单的图形进行线性转换得 到的, 转换包括复制、缩放和转化. 分形 FSS 单元 具有由于分形单元的相似性而表现出相似的频率 特性, 同时由于迭代单元间的不同尺寸参数导致中 心频率的不同, 所以可在单屏 FSS 上实现多频带通 的特性, 可用于 FSS 天线罩. 分形结构设计的优势 在于可以实现多频选择性能的同时能有效的缩减 单元间距, 推迟栅瓣的出现. 目前文献研究最多的 分形单元包括 Minkowsi 单元和 Sierpinsk 单元, 其 他单元基本上是上述两种单元的衍生. 国外自 20 世纪 90 年代开始对分形 FSS 单元进行研究, 提出 了 Sierpinsk 偶极子, 十字形, 正方贴片等基础分形 单元, 其中分形 Sierpinsk 单元已成功运用于多频谐 振器件中; 近年美国学者 Dough Las 等人基于遗传 算法优化出了几种复杂结构分形 FSS. 国内对分形 FSS 的研究以 Y 形、圆形、十字架形等简单 FSS 基础单元为主, 还未真正在天线罩上得到应用. 制 造比较麻烦是制约分形 FSS 发展的一个重要因素. c) 非规则型 FSS 单元. 比如说 Bitmap FSS. 非 规则的 FSS 单元图形虽然不利于电磁模型的建立, 但这些单元往往能够提供 FSS 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 和间隔带小等. 不规则的 FSS 单元在多频段上工作 时能克服组合单元和分形 FSS 单元各自的一些限 制因素, 但是不规则单元理论计算复杂 (通常采用 遗传算法), 制造精度要求高, 否则达不到理想传输 特性. 多频 FSS 的成功研制还可以解决非倍频双频 天线罩的研制难题. 4.2 智能 FSS 天线罩 众所周知, 机载或弹载雷达通常在相当长的平 飞时间内天线处于不工作状态, 只有接近目标时才 启动雷达, 而飞行器最容易在平飞的这段时间内受 到敌方雷达的截获和跟踪. 利用这个特点, 采用智 能天线罩, 可确保雷达在平飞阶段处于隐身状态, 在末制导阶段处于透波状态. 目前智能隐身天线 罩技术包括频率选择表面、抛洒金属薄膜、电可 控隐身、等离子体技术等. 抛洒金属薄膜隐身效果 好, 但是在隐身到切换的过程中, 抛洒物会对发动 机造成损害; 电可控技术的思路是采用导电-绝缘 状态可控的导电高聚物作为材料基础, 但单独采用 导电高聚物薄膜难以实施电切换, 需要加入固体电 解质膜, 而固体电解质膜的介电常数较高, 影响了 天线罩切换后的透波率. 等离子体技术还处于探索 阶段, 尚不能解决等离子体发生器低功率化、尺寸 小型化等关键性技术难题. 频率选择表面是首选技 术, 但是在敌方雷达和我方雷达工作频率相差不大 时, 隐身效果受到限制. 所以需要发展智能 FSS 天 线罩, 以进一步完善 FSS 天线罩的功能. 智能 FSS 天线罩建立在主动频率选择表面技 术 (active frequency selective surface, AFSS, 也称有 源 FSS) 的基础之上. AFSS 天线罩利用对谐振频率 的可调, 达到隐身目的, 同时通过微调来弥补谐振 频率和实际需求之间的偏差. AFSS 的概念由英国 KENT 大学首次明确提出, 使 FSS 实现频率特性的 动态可调成为可能, 国内外对其应用报道较少且大 都集中于其在吸波材料上的应用. 因此 AFSS 天线 罩有可能成为一个新的研究方向. 在实际使用中, FSS 必须依附在介质基底上, 介质基底一方面增强机械强度, 另一方面能影响 FSS 的性能. 相对于传统电阻片的阻抗而言, 频率 选择表面的阻抗调节具有更大的自由度. AFSS 是 198401-6
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,Na.19(2013)198401 指FSS结构的谐振频率或带宽特征可以被某种外 或多层薄屏FSS级联引起的结枸复杂和中心频 加微励所控制，主要的现实途径有以下三种 透过率容易降低的影响，并可以改善FSS带宽性能 )在传统FSS结构中加入有源器件6-6间.这 使其在隐身天线里应用方面有潜在价值川，值得 种方法是国内外研究最为广泛的一种，大都是通过 一提的是，FSS领域的权威Munk教授对厚屏FSS 在SS单元上加入PN管或变容一极管通制 天线置持反对态度他在作安F 偏执电压或电流来改变FSS的诰振特性.有源可调 Des 7中提到 使平面 器件的加载方式有两种 种是单元上加载 厚造成白 eo毫本影 是第一谐振发 呈现出更 是单元间加载.加载有时是针对杂化FSS单元中的 的谐振曲线.这种情形对于本身是有益的，但有很 一部分讲行直接实现多烦段可调 多其他更简单的方法来达到这一·目的.比如说双层 b)调节FSS单元的形状和排布方式例.将 FSS" SS单元的形状和排布方式直接做成可调节的方 目前围内SS研究基本上中干商屈厚屏 法比较军见，但也有一些探索性研究有报道将 FSS的研究处于起步阶段.而国外有专门制作厚所 银和矿物油装到T形管中制备成下SS阵列，利用压 FSS天线的公同司，他们制造的草屏FSS天线 力来调节水银的量和排布.更为实用的方式是利用 为Artificial Puck Plate Radome.相对于薄屏FSS.月 多层FSS层间相对位置的调整和变化，控制不同层 驿FSs的}十制告更为复九杂是雨名您数代化而 间的耦合方式调节SS单元的形状和排布方式可 颜从文济料归纳如下3-：1)除了单元形 以实现对结构谐振频率或带宽特征的调节.例如 周期 列、 个质材料 电磁波入射角及 两个同轴的FSS回旋体结构 ,可以通 过机械运 式等薄月 需要考 的因素外，还需要考 如绕轴旋转实现SS单元形状和排布方式的改实 金属屏的厚度（薄屏SS ·般忽略金属屏厚度对刀 ©)使用电磁特性可调的介质材料作为结构基 线罩频率响应性能的影响)，填充介质的介电常数 底网.在SS单元形状和排布方式周定的基础上 介电常数的选择范围一般为4一11)、填充介质的 可以利用来由信马调节基底的申磁特性讲而调书 结构的谐振频率，国外己经有基于有机半导 效率的关键因 而且与薄屏 FSS设计时不 料、液品分子、及含离子液体的人工介质基底的 早屏FSS的所有单元都是波导单 ,被导单元内的 AFSS研究. 就必须按照波导模式分布，即电磁波在波导内以 关干途轻二由干天线里基底材料本身就有力 填方式传播.2)厚屏一般都要以介质材制植东中 热等承载方面的种种限制，如果再将电磁参数可调 于介质和金属的热影胀系数一毅不相回.微小的空 节加入材料洗要求很推直接找到一种合话的由 气间隙会导致很不好的结果.3)厚屏FSS只有保 磁参数可调基底材料.将导电态 绝缘态可切换的 最优性能， 导电高分子作为带通型FSS的导电层是 种可 造难度比较大.所以用于厚屏FSS天线罩的FSS自 实现方式但是需要对导电高分子和SS讲一光 元一般都选取较简单的形状.如圆形 六边形和Y 深入研究.途径二实现的基础是单层FSS天线罩技 形.4④)一般情况下，屏越厚，制造起来就越困难.而 术的成熟和多层复合FSS理论的完善它的调控 日如果金属屏厚度大会对传输特性产生很大的 需要通过机械运动完成，对结构设计和加工精度 负面影响，比如说带宽减小 求较高。途径一的研究基础较好，也是国内外研 如果将来填充介质材料、FSS单元技术和曲 的重点.此类FSS形式的设计和成型工艺是摸索的 面FSS制造工艺得到突玻，厚屏FSS天线里在隐身 重占 域成许地能占有一席之地 4.3厚屏FSS天线罩 4.4其他FSS天线罩 如果把FSS按照金属屏厚度的不同来分类 微型化FSS(miniat d-elementFSS,MEFSS 分为薄屏FSS(hin-screen FSS)和厚屏FSS(hic 是FSS的 个重要的发展方，MEFSS具有微生 screen FSS).一般地，在工程上，厚屏FSS的金属屏 化、宽通带、显著降低对入射角的敏感性等有点 厚度都在多米和厘米级[69,0厚屉SS单元内址 对曲面天线置来过非常有益76-78一方面天线紧 充有介质材料.据文款报道.厚屏SS能克服双层 外形大多为不可展开的二次曲面会出现局部小风 198401-7
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 指 FSS 结构的谐振频率或带宽特征可以被某种外 加激励所控制, 主要的现实途径有以下三种： a) 在传统 FSS 结构中加入有源器件 [63−66] . 这 种方法是国内外研究最为广泛的一种, 大都是通过 在 FSS 单元上加入 PIN 管或变容二极管通过控制 偏执电压或电流来改变 FSS 的谐振特性. 有源可调 器件的加载方式有两种, 一种是单元上加载, 一种 是单元间加载. 加载有时是针对杂化 FSS 单元中的 一部分进行, 直接实现多频段可调. b) 调节 FSS 单元的形状和排布方式 [67] . 将 FSS 单元的形状和排布方式直接做成可调节的方 法比较罕见, 但也有一些探索性研究. 有报道将水 银和矿物油装到 T 形管中制备成 FSS 阵列, 利用压 力来调节水银的量和排布. 更为实用的方式是利用 多层 FSS 层间相对位置的调整和变化, 控制不同层 间的耦合方式调节 FSS 单元的形状和排布方式, 可 以实现对结构谐振频率或带宽特征的调节. 例如, 两个同轴的 FSS 回旋体结构, 可以通过机械运动, 如绕轴旋转实现 FSS 单元形状和排布方式的改变. c) 使用电磁特性可调的介质材料作为结构基 底 [68] . 在 FSS 单元形状和排布方式固定的基础上, 可以利用光电信号调节基底的电磁特性进而调节 结构的谐振频率. 国外已经有基于有机半导体材 料、液晶分子、及含离子液体的人工介质基底的 AFSS 研究. 关于途径三, 由于天线罩基底材料本身就有力 热等承载方面的种种限制, 如果再将电磁参数可调 节加入材料筛选要求, 很难直接找到一种合适的电 磁参数可调基底材料. 将导电态 - 绝缘态可切换的 导电高分子作为带通型 FSS 的导电层是一种可能 实现方式, 但是需要对导电高分子和 FSS 进一步 深入研究. 途径二实现的基础是单层 FSS 天线罩技 术的成熟和多层复合 FSS 理论的完善, 它的调控 需要通过机械运动完成, 对结构设计和加工精度要 求较高. 途径一的研究基础较好, 也是国内外研究 的重点, 此类 FSS 形式的设计和成型工艺是摸索的 重点. 4.3 厚屏 FSS 天线罩 如果把 FSS 按照金属屏厚度的不同来分类, 可 分为薄屏 FSS (thin-screen FSS) 和厚屏 FSS (thickscreen FSS). 一般地, 在工程上, 厚屏 FSS 的金属屏 厚度都在毫米和厘米级 [69,70] . 厚屏 FSS 单元内填 充有介质材料. 据文献报道, 厚屏 FSS 能克服双层 或多层薄屏 FSS 级联引起的结构复杂和中心频率 透过率容易降低的影响, 并可以改善 FSS 带宽性能, 使其在隐身天线罩应用方面有潜在价值 [71] . 值得 一提的是, FSS 领域的权威 Munk 教授对厚屏 FSS 天线罩持反对态度. 他在著作 ≪Frequency Selective Surface Theory and Design≫[72] 中提到, “使平面增 厚造成的一个基本影响是第一谐振处呈现出更窄 的谐振曲线. 这种情形对于本身是有益的, 但有很 多其他更简单的方法来达到这一目的, 比如说双层 FSS”. 目前国内 FSS 研究基本上集中于薄屏, 厚屏 FSS 的研究处于起步阶段. 而国外有专门制作厚屏 FSS 天线罩的公司, 他们制造的厚屏 FSS 天线罩称 为 Artificial Puck Plate Radome. 相对于薄屏 FSS, 厚 屏 FSS 的设计制造更为复杂, 是更多参数优化问 题, 从文献资料归纳如下 [73−75] : 1) 除了单元形状 尺寸、周期排列、介质材料、电磁波入射角及极 化方式等薄屏 FSS 需要考虑的因素外, 还需要考虑 金属屏的厚度 (薄屏 FSS 一般忽略金属屏厚度对天 线罩频率响应性能的影响) , 填充介质的介电常数 (介电常数的选择范围一般为 4—11)、填充介质的 填充厚度、填充介质与金属屏的匹配等等影响传 输效率的关键因素. 而且与薄屏 FSS 设计时不同, 厚屏 FSS 的所有单元都是波导单元, 波导单元内的 就必须按照波导模式分布, 即电磁波在波导内以主 模方式传播. 2) 厚屏一般都要以介质材料填充, 由 于介质和金属的热膨胀系数一般不相同, 微小的空 气间隙会导致很不好的结果. 3) 厚屏 FSS 只有保持 其单元的一致性才能获得最优性能, 厚屏 FSS 的制 造难度比较大. 所以用于厚屏 FSS 天线罩的 FSS 单 元一般都选取较简单的形状, 如圆形、六边形和 Y 形. 4) 一般情况下, 屏越厚, 制造起来就越困难. 而 且如果金属屏厚度过大, 会对传输特性产生很大的 负面影响, 比如说带宽减小. 如果将来填充介质材料、FSS 单元技术和曲 面 FSS 制造工艺得到突破, 厚屏 FSS 天线罩在隐身 领域或许也能占有一席之地. 4.4 其他 FSS 天线罩 微型化 FSS (miniaturized-element FSS, MEFSS) 是 FSS 的一个重要的发展方向, MEFSS 具有微型 化、宽通带、显著降低对入射角的敏感性等有点, 对曲面天线罩来说非常有益 [76−78] . 一方面, 天线罩 外形大多为不可展开的二次曲面, 会出现局部小区 198401-7
物理学报Acta Phys.Sin.Vol.62,Na.19(2013)198401 域或非平面波照射区域，需要通过微型化SS使其 工作 周期单元尺寸不受工作波长的限制，从而降低对) 目前一般利用容性表面与感性表面的耦合机 射波的敏感性：另一方面，通常情况下FSS的单元 理来制备MEFSS,由于MEFSS通过控制容性表 数目不能少于20×20以保持FSS的特性，当FSS 面的电容便可实现下SS变频、通带开关等功能， 天线罩在低频工作时（比如：24GHz).FSS单元 因此MEFSS更容易实现主动频率选择，而且由于 太大在使用尺十内很难用有限的单元数来体西 MEESS且有由尺十小的特占MEESS型屏或多 FSS天线罩的频率选择性，所以需要FSS微型化 率选择表面的 程应用更为简单7-209.3.所 国外Behdad教授在MEFSS方面做了充分研究，他 以进一步发展，多频FSS技术与主动SS技术结 通过级联MEFSS形成多级带通滤波器实现宽通 合，主动FSS技术和微型化FSS结合，厚屏FSS与 带、多频的特性.国内中科院长春光学精密机械与 微型化FSS结合等等，将会赐予频率选择表面天线 物理研究所的高教授里颗组也对ME下SS做了许彩 置更好的性能 21 Kim PC.Lee DG,Lim W.Co a.S.90242 25 16 (in Chin 李 Sm XG.FC.Wang Y S.Chen (in Chinese) 32209 Pronge.Soc.AP.S Int.Symn.Die. h VVS.Huang NT. al Con 01401 网G [301 [31]Hou X Y.Wan W. 新字 on E L.Munk B A 1979. g.27322 569(in Chinese)[每 [13] 5021 Ds E as Propag.142 13421 [15]Chang T K.L 533 .Al-Joumayly Truns.Antennas Propag.5 1175 36 I8 h57460 37]Wang H Q.Lv M Y.Meng ZJ.WuZ2006 Jow 602109 21 Kim PC.Lee.Adhes [22]Antonopoulos C.( nd IM 1997 IEEE Trans [38]Huang M J.Ly MY 23]Z 子技术311611 39 1241 Eane C Y 2011 PhD Di )鱼Ciee)方春易201博士学位 【401 Technol.4 57 (in Chinese 198401-8
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 域或非平面波照射区域, 需要通过微型化 FSS 使其 周期单元尺寸不受工作波长的限制, 从而降低对入 射波的敏感性；另一方面, 通常情况下 FSS 的单元 数目不能少于 20 × 20 以保持 FSS 的特性, 当 FSS 天线罩在低频工作时 (比如: 2—4 GHz), FSS 单元 太大, 在使用尺寸内很难用有限的单元数来体现 FSS 天线罩的频率选择性, 所以需要 FSS 微型化. 国外 Behdad 教授在 MEFSS 方面做了充分研究, 他 通过级联 MEFSS 形成多级带通滤波器实现宽通 带、多频的特性. 国内中科院长春光学精密机械与 物理研究所的高教授课题组也对 MEFSS 做了许多 工作. 目前一般利用容性表面与感性表面的耦合机 理来制备 MEFSS, 由于 MEFSS 通过控制容性表 面的电容便可实现 FSS 变频、通带开关等功能, 因此 MEFSS 更容易实现主动频率选择. 而且由于 MEFSS 具有电尺寸小的特点, MEFSS 双屏或多屏 频率选择表面的工程应用更为简单 [17−20,79,80] . 所 以进一步发展, 多频 FSS 技术与主动 FSS 技术结 合, 主动 FSS 技术和微型化 FSS 结合, 厚屏 FSS 与 微型化 FSS 结合等等, 将会赐予频率选择表面天线 罩更好的性能. [1] Jia H Y, Gao J S, Feng X G, Sun C L 2009 Acta Phys. Sin. 58 0505 (in Chinese) [贾宏燕, 高劲松, 冯晓国, 孙连春 2009 物理学报 58 0505] [2] Kim P C, Lee D G, Lim W, Seo I S 2009 Compos. Struct. 90 242 [3] Kim P C, Lee D G, Seo I S, Kim G H 2008 Compos. Struct. 80 299 [4] Kim P C, Lee D G, Seo I S, Kim G H L 2008 Compos. Sci. Technol. 68 2163 [5] Lu J, Gao J S, Sun C L 2003 Mater. Sci. Technol. 9 1 (in Chinese) [卢 俊, 高劲松, 孙连春 2003 材料科学与技术 9 1] [6] Wang H Q, Zhu M, Wu Z 2004 Ship Electron. Eng. 24 301 (in Chinese) [王焕青, 祝明, 武哲 2004 舰船电子工程 24 301] [7] Mittra R 2001 IEEE Antennas Propag. Soc. AP-S Int. Symp. Dig. 4 370 [8] Prakash V V S, Huang N T, Mittra R 2003 Twelfth International Conference on Antennas and Propagation 1 401 [9] Liu X C 1989 Aircraft Design 1 13 (in Chinese) [刘晓春 1989 飞机设 计 1 13] [10] Kieturtz 1961 IRE Trans. Antennas and Propag. 11 506 [11] Pelton E L, Munk B A 1974 Antenna. Propag. 32 799 [12] Pelton E L, Munk B A 1979 Antenna. Propag. 27 323 [13] Chakravarty S, Mittra R, Williams N R 2002 IEEE Trans. Antennas Propag. 50 284 [14] Philips B, Parker E A 1995 IEE Proc.- Microw. Antannas Propag. 142 193 [15] Chang T K, Langley R J, Parker E A 1996 IEE Proc.- Microw. Antannas Propag. 143 62 [16] Parker E A, Philips B, Langley R J 1995 IEEE Microw. Guided Wave Lett. 5 338 [17] Behdad N, Al-Joumayly M A 2010 IEEE Trans. Antennas Propag. 58 2460 [18] Behdad N, Al-Joumayly M A, Salehi M 2009 IEEE Trans. Antennas Propag. 57 460 [19] Behdad N 2008 Microw. Opt. Technol. Lett. 50 1639 [20] Li M, Behdad N 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 2109 [21] Kim P C, Lee D G 2009 J. Adhesion Sci. Technol. 23 215 [22] Antonopoulos C, Cahill R, Parker E A, Sturland I M 1997 IEEE Trans. Antennas Propag. 144 415 [23] Zhuang W, Fan Z H, Ding D Z, Chen R S 2008 Art of Miniaturizing RF and Microwave Passive Components 224 [24] Fang C Y 2011 Ph.D. Dissertation (Changchun: Changchun University of Science and Technology) (in Chinese) [方春易 2011 博士学位 论文 (长春: 长春理工大学)] [25] Li X Q, Gao J S, Zhao J L, Shen C L 2008 Acta Phys. Sin. 57 3803 (in Chinese) [李小秋, 高劲松, 赵晶丽, 沈春连 2008 物理学报 57 3803] [26] Li X Q, Feng X G, Gao J S 2009 J. Microw. 25 16 (in Chinese) [李小 秋, 冯晓国, 高劲松 2009 微波学报 25 16] [27] Xu N X, Gao J S, Feng X G, Zhao J L, Liang F C, Wang Y S, Chen X, Wang S S, Zhu H X 2010 Func. Mater. Analects of 2010 p157 [徐念 喜, 高劲松, 冯晓国, 赵晶丽, 梁凤超, 王岩松, 陈新, 王珊珊, 朱华新 2010 功能材料 2010 年论文集第 157 页] [28] Liu B, Liu X C, Sun S N, Zhou J J, Zhang X, Liao W H 2011 Journal of Astronautics 32 2009 (in Chinese) [刘斌, 刘晓春, 孙士宁, 周建江, 张翔, 廖文和 2011 宇航学报 32 2009] [29] Zhu H X, Gao J S, Feng X G, Zhao J L, Liang F C, Wang Y S, Chen X 2011 Acta Opt. Sin. 31 0223002 (in Chinese) [朱华新, 高劲松, 冯 晓国, 赵晶丽, 梁凤超, 王岩松, 陈新 2011 光学学报 31 0223002] [30] Feng L, Ruan Y Z 1994 Acta Aeronautica et Astronautica Sinica 15 1122 (in Chinese) [冯林, 阮颖铮 1994 航空学报 15 1122] [31] Hou X Y, Wan W, Wan G B, Tong M A 1998 System Eng. Electron. 9 14 (in Chinese) [侯新宇, 万伟, 万国宾, 佟明安 1998 系统工程与电 子技术 9 14] [32] Hou X Y, Wan W, Tong M A 1999 J Electron. 21 569 (in Chinese) [侯 新宇, 万伟, 佟明安 1999 电子科学学刊 21 569] [33] Hou X Y, Wan W, Wan G B, Tong M A 1998 Chin. J. Radio Sci. 13 442 (in Chinese) [侯新宇, 万伟, 万国宾, 佟明安 1998 电波科学学报 13 442] [34] Chen H Y, Hou X Y, Deng L J 2009 IEEE Antennas Wireless Propag. Lett. 8 1231 [35] Meng Z J, Lv M Y, Wu Z, Zhu M 2010 Opt. Precision Eng. 18 1175 (in Chinese) [蒙志君, 吕明云, 武哲, 祝明 2010 光学精密工程 18 1175] [36] Meng Z J, Lv M Y, Wu Z, Huang J 2008 Chin. J. Radio Sci. 23 1123 (in Chinese) [蒙志君, 吕明云, 武哲, 黄俊 2008 电波科学学报 23 1123] [37] Wang H Q, Lv M Y, Meng Z J, Wu Z 2006 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics 32 1428 (in Chinese) [王焕青, 吕 明云, 蒙志君, 武哲 2006 北京航空航天大学学报 32 1428] [38] Huang M J, Lv M Y, Huang J, Wu Z 2009 Systems Eng. Electron. 31 1611 (in Chinese) [黄敏杰, 吕明云, 黄俊, 武哲 2009 系统工程与电 子技术 31 1611] [39] Jia H Y, Feng X G, Gao J S 2007 Opt. Precision Eng. 15 978 (in Chinese) [贾宏燕, 冯晓国, 高劲松 2007 光学精密工程 15 978] [40] Chen L, Dong J M 2006 Space Electron. Technol. 4 57 (in Chinese) [陈磊, 董金明 2006 空间电子战术 4 57] 198401-8
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物理学报Acta Phys.Sim.Vol.62,Na.19(2013)198401 Comprehensive Survey for the Frontier Disciplines Status and development of frequency selective surface radome Lu Ge-Wu)2)Zhang Jian2)Yang Jie-Ying2)Zhang Tian-Xiang2)t Kou Yuan 1) 1)College of Chemistry and Molecular Engineering.Peking Universiry.Beijing 100871.China) Received 16 April 2013;revised mar cript received 28 May 2013 Abstract Due to the working char (FSS) ether.FSS radon he provi prope of ra nd th hustiselization of ouof-band stealth.This papernothe basice ofSSadome choloy andsumthe research status of FSS radome in the structure design and the technology.The muti-band FSS radome,intelligent FSS radome,thick- seFSradome.miniaturized elemen FS radome and the technologies to construct radome are predicted to be the perspective of FSS radome. Keywords:frequency selective surface(FSS).muti-band radome.intelligent FSS radome.thick-screen FSS radome PACS:84.40.-x,41.20.-q,07.50.Hp D0L:10.7498/aps.62.198401 198401-10
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 19 (2013) 198401 Comprehensive Survey for the Frontier Disciplines Status and development of frequency selective surface radome Lu Ge-Wu1)2) Zhang Jian2) Yang Jie-Ying2) Zhang Tian-Xiang2)† Kou Yuan 1)‡ 1) ( College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China ) 2) ( Aerospace Research Institute of Special Materials and Processing Technology, Beijing 100074, China ) ( Received 16 April 2013; revised manuscript received 28 May 2013 ) Abstract Due to the working characteristics of radar system, i.e. it has to ensure the emission and acceptance of its own radar wave, frequency selective surface (FSS) radome is the most effective stealthy way to give radome the function of frequency-selective. Combining the FSS technique and the radome together, FSS radome provides bandpass transmission properties in the operating frequency of radar, and changes the RCS characteristics of the antenna compartment when it is beyond the antenna’s operating frequency range, thus it is a realization of out -of -band stealth. This paper introduces the basic design of FSS radome technology and summarizes the research status of FSS radome in the structure design and the technology. The muti-band FSS radome, intelligent FSS radome, thickscreen FSS radome, miniaturized element FSS radome and the technologies to construct radome are predicted to be the perspective of FSS radome. Keywords: frequency selective surface (FSS), muti-band radome, intelligent FSS radome, thick-screen FSS radome PACS: 84.40.−x, 41.20.−q, 07.50.Hp DOI: 10.7498/aps.62.198401 † Corresponding author. E-mail: ZTX513@263.net ‡ Corresponding author. E-mail: yuankou@pku.edu.cn 198401-10