CN113054439B - 一种曲面共形频率选择表面罩、设计方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于频率选择表面技术领域，公开了一种曲面共形频率选择表面罩、设计方法及应用，曲面共形频率选择表面罩自上往下依次设置有集总元器件、阻焊层、阻抗层金属、第一聚酰亚胺PI、胶层、PMI泡沫、带通层上层金属、第二聚酰亚胺PI、带通层上层金属、胶层、耐高温树脂。本发明适合曲面投影的小型化低剖面带通FSR单元图案设计方案；曲面FSS罩体的建模和实际结构方案。本发明FSR单元中的电感部分，在不同投影方向设计了不同图案，以保证投影后连通；本发明提出局部变形和参数补偿相结合的投影方式，保证曲面投影后FSR电性能的一致性。单元图案和投影方式相适应，从而实现曲面FSR罩的综合设计。

Description

一种曲面共形频率选择表面罩、设计方法及应用

技术领域

本发明属于频率选择表面技术领域，尤其涉及一种曲面共形频率选择表面罩、设计方法及应用。

背景技术

目前：天线罩是飞行器雷达***的重要组成部分，用来保护雷达天线或整个微波***在恶劣环境下能够正常工作，是一个气动、结构以及透波功能一体化部件。传统天线罩在满足己方天线电磁波高透过率要求的同时，无法阻止敌方探测电磁波进入天线罩内部，而内部制导设备往往具有较大的雷达散射截面(RCS)，造成极大的回波信号。为了兼顾天线的工作性能以及飞行器的隐身效果，频率选择表面(FSS)被广泛用于天线罩设计。FSS是一种周期性金属结构，电磁波经过FSS时，特定的周期性单元图案会产生容性和感性。其工作原理和电路中的滤波器类似，当容性部分与感性部分并联谐振时，表现为带通特性；当容性部分和感性部分串联谐振时，现为带阻特性。FSS本身不吸收电磁波，本质上是一种空间滤波器。

带通FSS天线罩允许电磁波在通带内以低***损耗传输，在带外表现出金属罩的电磁特性，将电磁波完全反射。天线罩的形状使电磁波反射到入射波不同的方向，从而降低其单站RCS。但是带外的反射波通常会导致其它方向的散射增强，从而被多站雷达所接收。为了解决这个问题，频率选择表面吸波体(FSR)的概念被提出，其在通带外吸收反射波，以减小天线的双站RCS。FSR本质上是一种基于Salisbury微波吸波结构，其上层为阻抗层，下层为金属层，电磁波在两层分别反射产生相位相反的两束电磁波，他们互相干涉发射抵消，能量被阻抗层上的阻性部分消耗，从而达到吸波的效果。

现有对于FSR的单元设计，FSR在通带内的透过率由多层结构共同决定，吸波层阻抗无穷大时，表现为全透特性。因此，研究人员在吸波层的电流回路上***LC并联谐振器以增大通带处的透波率。将圆形螺旋电感作为谐振器***电流回路，其设计单元如下图所示。其分为两个部分：阻抗层和带通层。上层为阻抗层，基础图案是六边形环，在回路上***了圆形螺旋电感作为并联LC谐振器，同时***电阻；下层为带通层，由三层图案组成，分别是容性六边形贴片单元、感性六边形槽和容性六边形贴片单元。两者在10GHz都发生并联谐振，阻抗无穷大，有较高的透波率。

现有对于曲面共形FSS罩，提出了一种基于HFSS-Matlab创建曲面频率选择表面的方法，该方法利用Matlab通过HFSS脚本接口控制HFSS的命令执行。共形的流程为：首先按照母线确定每一带单元的中心位置，将平面设计的单元在中心位置进行弯折投影，每一环带都进行一次旋转阵列，多次循环后可以得到曲面频率选择表面天线罩模型。

在制造曲面FSR罩时，低剖面的设计能降低制造难度，金属图案的共形会与平面设计产生较大差异，为了实现罩体制造的可行性同时保证电磁性能，要解决以下技术问题：保证大角度入射高透波率和低剖面设计相矛盾的问题；曲面共形后保证图案连续性和电性能一致性问题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)对于带通FSR的设计，只关注结构和功能上的创新，而忽视实际工程中大角度情况下高透波率的重要性。

(2)多层小型化设计导致剖面增大，难以在曲面上加工成型。

(3)单元的设计仅适用于平面，不适用于曲面罩的投影。

(4)投影阵列时未考虑单元变形和单元分布不均匀造成电性能改变。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)要同时考虑平面单元图案和曲面投影后单元图案的性能，还需考虑实际制作软板厚度不能厚，因此要同时进行低剖面设计，单元设计难度增大。

(2)投影方法上要保证投影不改变电性能，因此需要进行局部图案的变形和参数的补偿，增加了投影方案的难度。

解决以上问题及缺陷的意义为：

(1)为曲面FSR罩的设计提供参考，说明了其工程可实现性。

(2)能够应用于飞行器头部，使其在工作波段满足高透波特性，工作波段外吸波，缩减多站RCS，更好地实现隐身。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种曲面共形频率选择表面罩、设计方法及应用。

本发明是这样实现的，一种曲面共形频率选择表面罩，所述曲面共形频率选择表面罩自上往下依次设置有集总元器件、阻焊层、阻抗层金属、第一聚酰亚胺PI、胶层、PMI泡沫、带通层上层金属、第二聚酰亚胺PI、带通层上层金属、胶层、耐高温树脂。

进一步，所述曲面共形频率选择表面罩的小型化带通FSR由一层阻抗层和一层带通层组成，中间被PMI泡沫隔开，PMI的介电常数ε_r＝1.05，损耗角正切tanδ＝0.0003；阻抗层单元每条边上***200Ω的0805电阻以及方形螺旋谐振器，外圈直接与一边相连，内圈通过金属化过孔和跳线，从下层穿过与另一边相连。

进一步，所述阻抗层的介质板为0.254mm厚的罗杰斯4350B，介电常数ε_r＝3.48，损耗角正切tanδ＝0.0027；带通层FSS是双层耦合结构，上层矩形环金属，下层为弯曲金属线，都为正方形排列，周期为18mm，两层被印在0.254mm厚的罗杰斯4350B板材上；

各形状参数如下：t₁＝t₃＝0.254mm，t₂＝5.0mm，la＝2.7mm，a＝12mm，w＝1.6mm，ax＝8.5mm，ay＝8mm，wx＝1.25mm，wy＝1.5mm，s＝0.4mm，g＝0.2mm，p＝18mm。

进一步，所述曲面共形频率选择表面罩最底层是用3D打印的耐高温树脂，厚度为1.5mm，软板的介质基材为聚酰亚胺，厚度0.0254mm，使用PCB蚀刻技术在表面形成FSS图案，带通层粘贴于耐高温树枝上，使用3M467胶，厚度为0.02mm，中间是用铣床加工的PMI泡沫罩，厚度为5mm，在PMI泡沫上粘贴阻抗层，介质基材和带通层一致，上表面覆盖有杜邦FR0110作为组焊层，厚度为0.0254mm。

本发明的另一目的在于提供一种所述曲面共形频率选择表面罩的投影方法，所述投影方法包括：根据母线方程将母线按周期长度分成若干个环带，计算ab曲线段长度s，总长度s_total、多余长度s₀以及环带数n：

坐标原点到(s₀,0)定为不划分区域，以周期d为间隔长度对划分区域进行划分，每次划分都求得对于划分面的横坐标，关于横坐标x_i的方程为：

计算出环带划分面处的横坐标后，将每个分离的环带近似等效为圆锥面，此时在同一母线上进行分析，第i个环带的两个切面距离为，两切面与环带母线交点之间的距离为周期d，计算出等效圆锥面的锥度，根据母线公式计算出小圆半径和大圆半径为r_i与R_i，圆锥面的所有参数被确定，将此曲面近似展开为n个扇形，利用圆锥面周长等分单元，建立局部坐标系，在局部坐标系上建立平面单元然后投影；

在投影前先利用三角变换将参数补偿，对进行结构和参数的补偿，补偿原则如下：

(1)对于容性部分，正对金属条的空间距离与平面单元一致；

(2)对于感性部分，单位面积内电感线在曲面上宽度、长度与平面一致。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述曲面共形频率选择表面罩的天线罩。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明设计适合曲面投影的大角度入射下高透波率的低剖面FSR单元；改进投影方法，对单元变形和单元分布不均进行结构补偿；制作罩体样件并测试验证工程实用性，解决了现有技术对于带通FSR的设计，只关注结构和功能上的创新，而忽视实际工程中大角度情况下高透波率的重要性，多层小型化设计导致剖面增大，难以在曲面上加工成型，单元的设计仅适用于平面，不适用于曲面罩的投影，投影阵列时未考虑单元变形和单元分布不均匀造成电性能改变的诸多问题。

本发明适合曲面投影的小型化低剖面带通FSR单元图案设计方案；曲面FSS罩体的建模和实际结构方案。本发明的带通层周期仅为0.12倍波长，现有技术中周期为0.4倍波长，因此入射角稳定性更好。现有技术采用六边形阵列，难以在锥面上共形，本发明采用正方形单元，和投影方式相符合，而且带通层中的电感部分，为了保证连通，在不同投影方向设计了不同图案。现有技术的共形方法未考虑单元投影的形变，本发明分别考虑容性和感性部分的图案结构和参数的补偿，使投影前后电性能保持一致。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的小型化带通FSR的3D整体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的在电磁波不同角度入射情况下的仿真结果示意图。

图3是本发明实施例提供的采用容性层和感性层耦合的设计示意图。

图4是本发明实施例提供的对比等效电路计算得S参数和仿真得到的S参数示意图。

图5是本发明实施例提供的方形螺旋电感器示意图。

图6是本发明实施例提供的阻抗层的图6(a)等效电路模型；图6(b)与HFSS仿真作比较结果；图6(c)实部和虚部取值。

图7是本发明实施例提供的对划分区域进行划分示意图。

图8是本发明实施例提供的在局部坐标系上建立平面单元然后投影示意图。

图9是本发明实施例提供的利用三角变换将参数补偿示意图。

图10是本发明实施例提供的投影后的模型示意图；(a)是带通部分的上层方环结构，(b)是带通部分的下层弯折电感线结构，(c)是带通层整体结构，(d)是阻抗层投影后的局部图，(e)是FSR投影后的整体结构；1、集总元器件；2、阻焊层；3、阻抗层金属；4、第一聚酰亚胺PI；5、胶层；6、PMI泡沫；7、带通层上层金属；8、第二聚酰亚胺PI；9、带通层上层金属；10、胶层；11、耐高温树脂。

图11是本发明实施例提供的粘贴软板的方式制作了FSR锥罩样件结构示意图。

图12是本发明实施例提供的自有空间发测试FSR罩的S21结果示意图。

图13是本发明实施例提供的使用紧缩场场法测试FSR罩在X波段的吸波效果(RCS缩减能力)测试结果示意图。

图14是本发明实施例提供的罩体结构另一示意图；图中：1、集总元器件；6、PMI泡沫；11、耐高温树脂；12、纳米银；13、UV树脂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种曲面共形频率选择表面罩、设计方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明的频率选择表面：是一种周期性金属图案结构，其容性部分和感性部分在谐振点发生谐振，从呈现带通或带阻特性，是一种空间滤波器。S波段：2-4GHz；X波段：8-12GHz；S21为-0.7dB时，透波率为85％，S11为-10dB时，吸波率为90％。

1、FSR单元设计

小型化带通FSR的3D整体结构如图1所示。它由一层阻抗层和一层带通层组成，中间被PMI泡沫隔开，PMI的介电常数ε_r＝1.05，损耗角正切tanδ＝0.0003。阻抗层单元是由基础方环FSS单元改进而来，每条边上***200Ω的0805电阻以及方形螺旋谐振器，外圈直接与一边相连，内圈通过金属化过孔和跳线，从下层穿过与另一边相连。

阻抗层的介质板为0.254mm厚的罗杰斯4350B，介电常数ε_r＝3.48，损耗角正切tanδ＝0.0027。带通层FSS是双层耦合结构，上层矩形环金属，下层为弯曲金属线，都为正方形排列，周期为18mm，两层被印在0.254mm厚的罗杰斯4350B板材上。

各形状参数如下：t₁＝t₃＝0.254mm，t₂＝5.0mm，la＝2.7mm，a＝12mm，w＝1.6mm，ax＝8.5mm，ay＝8mm，wx＝1.25mm，wy＝1.5mm，s＝0.4mm，g＝0.2mm，p＝18mm。

在电磁波不同角度入射情况下的仿真结果如下图2所示，在0°入射时，透波率大于85％的通带范围为2.84GHz-3.4GHz，吸波率大于90％的吸波带范围为8.79GHz-11.8GHz；在50°斜入射时，通带为3.04GHz-3.38GHz，吸波带为8.91GHz-12.0GHz。

(1)对于带通层的设计，由于需要关注大角度入射的透波率、吸波带的频率是透波带的3倍以及制造的难易程度。

当前常用的小型化设计方法有弯曲交指，容性层与感性层耦合，加载无源集总元件，加载有源可调集总元件等。过多的无源器件加载会增加制造难度，而且难以制造成天线罩，交指技术仅适用于平面，投影与曲面时FSS变为准周期排布，难以保证每个单元的交指部分都存在。因此，本发明采用容性层和感性层耦合的设计，将电感与电容分为两层，从而避免波长对周期的限制，设计图案如图3所示。电容层使用方环，可以等效为LC串联电路，L3与C3在高频处产生谐振，保证FSS在8-12Ghz呈现全反射状态；电感层采用弯折技术，弯折集中在方环中间空白部分以减小两层间的正对面积，保证大角度入射TE极化时不引入新的寄生参数，从而实现低剖面，为保证天线罩上投影后电感线相连且电感相等，横向电感线不做弯折，且增大间隔使电感与纵向相同，其等效为电感，与电容层相并联，C3与L4在3GHz处并联谐振产生通带。

带通FSS的阻抗ZF₂表达式：

当

时，ZF₂＝∞，表现为电磁波全透过；当

时，ZF₂＝0，表现为电磁波全反射。在FSS中，单位长度的等效电感和电容为：

计算得，L₃＝1.1nH,L₄＝14.1nH,C₃＝0.216pF，此时f₁＝3.31Ghz，f₂＝10.33GHz对比等效电路计算得S参数和仿真得到的S参数，如图4所示，两者相吻合。

(2)对于阻抗层的设计，将螺旋电感作为LC并联谐振器。

常见的螺旋电感有：圆形、方形、六边形以及八边形螺旋电感，需要让螺旋电感在3GHz左右谐振，因此需要较高的电感和寄生电容值，方形螺旋电感具有相对较高的寄生电容，因此本发明选用方形螺旋电感器，如图5所示。

其电感值经验公式为：

线圈取三圈，线宽0.1mm，间隙0.1mm，外径2.1mm，金属化过孔直径为5mm，跳线宽0.3mm。可以计算得电感L₂＝20.518nH，寄生电容分布复杂且没有固定的计算公式，根据仿真可得寄生电容值C_p＝0.14pF，计算得其在2.97GHz处发生谐振。

阻抗层的等效电路模型如图6中的(a)所示，根据等效电感和电容公式，可以计算出L₁＝3.09nH，C₃＝0.067pF，将以上计算值代入ADS仿真，并与HFSS仿真作比较，结果为图6中的(b)，可以看到在3GHz处单层阻抗层呈现全透过的状态。阻抗层的总阻抗表示为：

其实部和虚部取值见图6中的(c)，在全透波处阻抗无穷大。优化可得，在距离阻抗层5mm处加入金属板时，其吸波效果较好，且在0-50°入射角都有稳定的吸波频带8.8GHz-11.8GHz。

2、曲面FSR罩的投影方法和结构设计

曲面旋转体表面的共形的投影基础方法：根据母线方程将母线按周期长度分成若干个环带，计算ab曲线段长度s，总长度s_total、多余长度s₀以及环带数n：

如图7所示，坐标原点到(s₀,0)定为不划分区域，以周期d为间隔长度对划分区域进行划分，每次划分都求得对于划分面的横坐标，关于横坐标x_i的方程为：

计算出环带划分面处的横坐标后，将每个分离的环带近似等效为圆锥面，此时在同一母线上进行分析，第i个环带的两个切面距离为，两切面与环带母线交点之间的距离为周期d，所以可以计算出等效圆锥面的锥度，根据母线公式计算出小圆半径和大圆半径为r_i与R_i，从而圆锥面的所有参数被确定，可以将此曲面近似展开为n个扇形。(对于圆锥面不需要进行近似)，利用圆锥面周长等分单元，建立局部坐标系，在局部坐标系上建立平面单元然后投影。

但是按照这种方法投影会出现图8所示情况，容性部分分布不均匀，间距不一致，从而影响电性能。

因此，不能直接将单元图案投影，而需要对其进行结构和参数的补偿以保证电性能的一致性。补偿原则如下：

(1)对于容性部分，保证正对金属条的空间距离与平面单元一致；

(2)对于感性部分，保证单位面积内电感线在曲面上宽度、长度与平面一致。

对于锥形罩体而言，头部周长小尾部周长大，因此单元需要变为前小后大的梯形单元，在投影前先利用三角变换将参数补偿，保证电容部分距离和仿真一致，电感部分长宽和仿真一致。具体的流程图如图9所示。

将上述设计单元按上述投影方法投影到锥罩上，投影后的模型如图10所示。(a)是带通部分的上层方环结构，(b)是带通部分的下层弯折电感线结构，(c)是带通层整体结构，(d)是阻抗层投影后的局部图，(e)是FSR投影后的整体结构；自上往下依次设置有集总元器件1、阻焊层2、阻抗层金属3、第一聚酰亚胺PI 4、胶层5、PMI泡沫6、带通层上层金属7、第二聚酰亚胺PI 8、带通层上层金属9、胶层10、耐高温树脂11。

最后使用粘贴软板的方式制作了FSR锥罩样件，其结构如图11所示，最底层是用3D打印的耐高温树脂，厚度为1.5mm，软板的介质基材为聚酰亚胺，厚度0.0254mm，使用PCB蚀刻技术在表面形成FSS图案，带通层粘贴于耐高温树枝上，使用3M467胶，厚度为0.02mm，中间是用铣床加工的PMI泡沫罩，厚度为5mm，在PMI泡沫上粘贴阻抗层，介质基材和带通层一致，上表面覆盖有杜邦FR0110作为组焊层，方便电阻的焊接，厚度为0.0254mm。

目前曲面罩的方案只可用于可展开曲面，对于不可展开曲面，在制造工艺上可使用异质异构的3d打印技术，罩体结构如图14所示：包括：集总元器件1、PMI泡沫6、耐高温树脂11、纳米银12、UV树脂13。

集总元器件1设置在UV树脂13上，UV树脂13表面涂覆有纳米银12，UV树脂13的底部为耐高温树脂11，耐高温树脂11的底部为PMI泡沫6。

单元设计和投影方案和之前一致，但是不可展开曲面无法粘贴软板，因此在3D打印耐高温树脂上直接进行3D喷墨打印，固化UV树脂作为介质层，烧结纳米银作为金属层。

下面结合测试对本发明的技术效果作详细的描述。

本发明的样件测试结果：

使用自有空间发测试FSR罩的S21结果如图12所示，0-50°入射角时，-0.7dB(85％透波率)通带的频带为2.78GHz-3.13GHz。

使用紧缩场场法测试FSR罩在X波段的吸波效果(RCS缩减能力)，测试结果如图12所示。加罩与不加罩相比，在0°和30°偏角，8.4-12.4Ghz的单站RCS平均缩减大于15dB。

锥面面FSR的制作使用了PCB软板，粘贴于3D打印的耐高温树脂上。对于不可展开曲面(例如卵形罩，冯卡门曲线旋转体罩等)，表面无法粘贴软板，此时可采用异质异构的3D喷墨打印技术，在基体上打印UV树脂和纳米银最为FSS单元，此成型工艺为可替代方案。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种曲面共形频率选择表面罩，其特征在于，所述曲面共形频率选择表面罩自上往下依次设置有集总元器件、阻焊层、阻抗层金属、第一聚酰亚胺PI、胶层、PMI泡沫、带通层上层金属、第二聚酰亚胺PI、带通层下层金属、胶层、耐高温树脂；

所述曲面共形频率选择表面罩的小型化带通FSR由一层阻抗层和一层带通层组成，中间被PMI泡沫隔开，PMI的介电常数ε_r＝1.05，损耗角正切tanδ＝0.0003；阻抗层单元的四条边上分别***200Ω的0805电阻以及方形螺旋谐振器，外圈直接与一边相连，内圈通过金属化过孔和跳线，从下层穿过与另一边相连；

所述阻抗层的介质板为0.254mm厚的罗杰斯4350B，介电常数ε_r＝3.48，损耗角正切tanδ＝0.0027；带通层FSS是双层耦合结构，上层矩形环金属，下层为弯曲金属线，上层矩形环金属与下层弯曲金属线一一对应，都为正方形排列，周期为18mm，两层被印在0.254mm厚的罗杰斯4350B板材上；

各形状参数如下：t₁＝t₃＝0.254mm，t₂＝5.0mm，la＝2.7mm，a＝12mm，w＝1.6mm，ax＝8.5mm，ay＝8mm，wx＝1.25mm，wy＝1.5mm，s＝0.4mm，g＝0.2mm，p＝18mm。

2.如权利要求1所述的曲面共形频率选择表面罩，其特征在于，所述曲面共形频率选择表面罩最底层是用3D打印的耐高温树脂，厚度为1.5mm，软板的介质基材为聚酰亚胺，厚度0.0254mm，使用PCB蚀刻技术在表面形成FSS图案，带通层粘贴于耐高温树枝上，使用3M467胶，厚度为0.02mm，中间是用铣床加工的PMI泡沫罩，厚度为5mm，在PMI泡沫上粘贴阻抗层，介质基材和带通层一致，上表面覆盖有杜邦FR0110作为组焊层，厚度为0.0254mm。

3.一种如权利要求1～2任意一项所述曲面共形频率选择表面罩的投影方法，其特征在于，所述投影方法包括：根据母线方程将母线按周期长度分成若干个环带，计算ab曲线段长度s，总长度s_total、多余长度s₀以及环带数n：

s₀＝mod(s_total,d),

坐标原点到(s₀,0)定为不划分区域，以周期d为间隔长度对划分区域进行划分，每次划分都求得对于划分面的横坐标，关于横坐标x_i的方程为：

计算出环带划分面处的横坐标后，将每个分离的环带近似等效为圆锥面，此时在同一母线上进行分析，第i个环带的两个切面距离为，两切面与环带母线交点之间的距离为周期d，计算出等效圆锥面的锥度，根据母线公式计算出小圆半径和大圆半径为r_i与R_i，圆锥面的所有参数被确定，将此曲面近似展开为n个扇形，利用圆锥面周长等分单元，建立局部坐标系，在局部坐标系上建立平面单元然后投影；

在投影前先利用三角变换将参数补偿，对进行结构和参数的补偿，补偿原则如下：

(1)对于容性部分，正对金属条的空间距离与平面单元一致；

(2)对于感性部分，单位面积内电感线在曲面上宽度、长度与平面一致。

4.一种包含权利要求1～2任意一项所述曲面共形频率选择表面罩的天线罩。

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