頻率選擇表面（FSS）柔性屏鋪覆工藝對(duì)透波窗口透波性能的影響

梁 垠 蘭 天 董立超 張春波 刁訓(xùn)剛

（1 航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074）

（2 北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

文 摘 為了研究工程中柔性FSS屏鋪覆工藝對(duì)透波窗口通帶插損的影響，設(shè)計(jì)并制備了幾種不同工藝缺陷的平板，采用自由空間傳輸反射法研究了平板在不同入射角下的通帶損耗。結(jié)果表明：拼接縫隙使通帶損耗在0°和60°入射角下增加了0.3 dB；拼接褶皺使通帶損耗在0°入射角下增加了0.77 dB，在60°入射角下增加了1.55 dB；多層間FSS錯(cuò)位使通帶損耗在0°入射角下增加了0.3 dB，在60°下入射角增加了1.05 dB。拼接褶皺對(duì)周期結(jié)構(gòu)破壞最大，因此使通帶損耗增加更大，在大入射角下通帶損耗增加更加明顯，在鋪覆工藝時(shí)應(yīng)盡量避免破壞柔性FSS屏的完整性。

0 引言

頻率選擇表面（FSS）［1］是一種周期性排列的具有帶通或帶阻特性的金屬表面結(jié)構(gòu)。利用FSS技術(shù)，可使一定頻帶內(nèi)的電磁波呈現(xiàn)透明狀態(tài)，且其透波特性隨頻率變化而變化，而在另一些頻帶內(nèi)呈現(xiàn)出接近全反射特性［2-4］。將FSS技術(shù)與透波窗口有效結(jié)合，可有效地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的隱身和電子設(shè)備抗干擾能力［5-7］。

在FSS透波窗口制造技術(shù)方面，一種簡(jiǎn)單便捷的方法是在聚酰亞胺薄膜基底上采用鍍膜、光刻得到柔性FSS 膜［8-10］，然后采用鋪覆粘結(jié)工藝轉(zhuǎn)移到天線罩上，這是FSS 透波窗口制備常用的、相對(duì)比較簡(jiǎn)單方法［11］。由于柔性FSS 薄膜為無延展性平面，而透波窗口大多為不可展開平面的曲面形狀，平面柔性FSS薄膜貼覆在曲面透波窗口上時(shí)，會(huì)不可避免地出現(xiàn)拼接縫隙、拼接褶皺、層間錯(cuò)位等缺陷，這些缺陷造成FSS 結(jié)構(gòu)整體有序性和連續(xù)性遭到破壞，而FSS結(jié)構(gòu)整體有序性和連續(xù)性直接影響透波窗口的透波性能［12］。這種鋪覆工藝造成的缺陷無法采用電磁仿真的方法進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。

國外B.A.Munk 研究了不同形狀的FSS 單元結(jié)構(gòu)錯(cuò)位位移誤差對(duì)FSS 電磁傳輸特性的影響［13］。國內(nèi)國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳強(qiáng)等針對(duì)曲面FSS 天線罩在實(shí)際制備過程中雙層方環(huán)形FSS 單元結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的單個(gè)方向錯(cuò)位位移誤差情況，探討了錯(cuò)位位移對(duì)雙層FSS 單元結(jié)構(gòu)電磁反射特性的影響［14］。南京理工大學(xué)的王立超研究了三層FSS 單元結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)生錯(cuò)位位移誤差時(shí)的電磁傳輸特性影響規(guī)律［15］。西北工業(yè)大學(xué)的馬鑫等針對(duì)頻率選擇表面在實(shí)際加工過程中存在的隨機(jī)誤差問題，提出了一種基于隨機(jī)誤差的FSS 理論分析模型，同時(shí)給出了頻率選擇表面?zhèn)鬏斚禂?shù)的數(shù)學(xué)期望計(jì)算公式［16］。北京航空航天大學(xué)的黃敏杰等考察了單元形狀的微小改變對(duì)方環(huán)形FSS 單元結(jié)構(gòu)電磁傳輸特性的影響［17］。

本文通采用工藝試驗(yàn)和透波性能測(cè)試的方法分析了這種工藝缺陷對(duì)透波窗口透波性能的影響，通過工藝設(shè)計(jì)研究了柔性FSS 屏拼接縫隙、拼接褶皺、層間錯(cuò)位對(duì)透波窗口通帶插損的影響，擬為加載柔性FSS屏透波窗口的工程化應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

石英纖維布QW140A，荊州市菲利華石英玻璃有限公司產(chǎn)品。氰酸酯樹脂自制；氰酸酯載體膠膜J-245CQ，黑龍江石油化工研究院；PMI 泡沫71XT，德固賽公司；柔性FSS屏廣州杰賽科技有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 石英纖維/氰酸酯樹脂預(yù)浸布制備

采用熱熔法［18］將氰酸酯樹脂浸漬石英纖維布，制得石英纖維/氰酸酯樹脂預(yù)浸布。

1.2.2 石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料面板制備

石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料面板結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)SS單元特征及排布方式如圖2所示。

圖1 面板結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of panel

圖2 FSS單元特征及排布方式Fig.2 The character and configuration of FSS unit

將石英布/氰酸酯預(yù)浸料和氰酸酯載體膠膜裁剪成500 mm×500 mm，按順序?qū)⒁粚邮⒉?氰酸酯預(yù)浸料、一層氰酸酯載體膠膜、一層FSS屏、一層氰酸酯載體膠膜和一層石英布/氰酸酯預(yù)浸料疊放在一起，然后熱壓罐固化。固化工藝如下：80 ℃恒溫1.0 h，120 ℃恒溫1.0 h，170 ℃恒溫1.0 h 加壓0.3 MPa，200 ℃恒溫2.0 h，220 ℃恒溫4.0 h，自然冷卻到60 ℃以下，取出試樣。

1.2.3 頻率選擇表面（FSS）平板制備

將PMI 泡沫加工成500 mm×500 mm×5 mm，在PMI 泡沫兩側(cè)貼覆J-245CQ 膠膜，然后按順序?qū)⒚姘?、PMI泡沫、面板疊在一起，熱壓罐固化。固化工藝如下：升溫至180 ℃加壓0.3 MPa，恒溫4.0 h，自然冷卻到60 ℃以下，取出平板。

1.3 樣品測(cè)試

通帶插損采用自由空間傳輸反射法［19］在北京環(huán)境特性研究所進(jìn)行測(cè)試，入射角0°和60°。

2 結(jié)果與分析

2.1 FSS屏拼接縫隙的影響

設(shè)計(jì)并研制了兩種不同拼接縫數(shù)量的FSS平板，編號(hào)分別為1#和2#，1#FSS 平板采用2 張F(tuán)SS 屏拼接，拼接縫隙一條，2#FSS 平板采用8 張F(tuán)SS 屏拼接，拼接縫隙十條，拼接方式分別如圖3和圖4所示。

圖3 2張F(tuán)SS屏拼接方式Fig.3 The splice of two sheet FSS

圖4 8張F(tuán)SS屏拼接方式Fig.4 The splice of eight sheet FSS

1#和2#FSS平板在不同入射角下垂直極化通帶損耗如圖5和圖6所示。

圖5 1#和2#平板入射角0°通帶損耗Fig.5 The in-band transmission loss of slab（0°）

圖6 1#和2#平板入射角60°通帶損耗Fig.6 The in-band transmission loss of slab（60°）

由圖5和圖6可以看出，0°入射角時(shí)，1#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-0.9 dB，2#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz時(shí)損耗為-1.2 dB，通帶損耗增大0.3 dB。60°入射角時(shí)，1#FSS平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.35 dB，2#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.65 dB，通帶損耗增大了0.3 dB。根據(jù)譜域Galerkin 法原理［20］，F(xiàn)SS 周期陣列的截?cái)鄬?duì)邊緣單元電流分布影響較大，對(duì)內(nèi)部單元電流分布影響較小，而單元電流分布直接影響透射系數(shù)［21］。2#FSS 平板相對(duì)1#FSS 平板周期陣列截?cái)喔?，因?#FSS 平板相對(duì)1#FSS 平板受影響的邊緣單元更多，電流分布起伏較大，會(huì)偏離諧振頻率基準(zhǔn)電流，從而通帶損耗增大。試驗(yàn)結(jié)果也表明FSS柔性屏多張拼接比單張通帶損耗要大。

2.2 FSS屏拼接褶皺的影響

由于透波窗口不可展開性，柔性FSS屏鋪覆粘貼時(shí)不可避免出現(xiàn)褶皺，從而造成整個(gè)周期陣列被打亂，為此設(shè)計(jì)并研制了兩種FSS 平板，編號(hào)分別為3#和4#，3#FSS 平板由4 塊FSS 屏拼接而成，F(xiàn)SS 拼接時(shí)保持周期單元連續(xù)、完整，4#FSS 平板也由4 塊FSS 屏拼接而成，拼接時(shí)打亂周期單元的完整性，3#和4#FSS平板的拼接方式如圖7和圖8所示。

圖7 FSS屏連續(xù)拼接方式Fig.7 The splice of consecutive FSS

圖8 FSS屏不連續(xù)拼接方式Fig.8 The splice of inconsecutive FSS

3#和4#FSS平板在不同入射角下垂直極化通帶損耗如圖9和圖10所示。

圖9 3#和4#平板入射角0°通帶損耗Fig.9 The in-band transmission loss of slab（0°）

圖10 3#和4#平板入射角60°通帶損耗Fig.10 The in-band transmission loss of slab（60°）

由圖9和圖10可以看出，0°入射角時(shí)，3#FSS平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.08 dB，4#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.85 dB，通帶損耗增大0.77 dB。60°入射角時(shí)，3#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.31 dB，4#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-2.86 dB，通帶損耗增大了1.55 dB。在0°和60°入射角，4#FSS 平板在諧振頻率16 GHz 左右通帶損耗均高于3#FSS 平板，4#FSS平板4小塊FSS屏每一塊周期性均完整、連續(xù)，但4小塊FSS 屏在拼接后形成的大FSS 屏周期不再完整、連續(xù)，因此4#FSS平板在諧振頻率16 GHz時(shí)仍然具有一定的透波率，但透波率低于拼接后形成的周期完整、連續(xù)的3#FSS 平板，并且隨入射角增大透波率下降更大。

2.3 FSS屏對(duì)稱性的影響

研制了兩種不同對(duì)稱方式的FSS平板，編號(hào)分別為5#和6#，5#FSS 平板上下兩層FSS 屏周期相同并且上下對(duì)稱，6#FSS 平板上下兩層FSS 屏周期相同但上下兩層錯(cuò)開不對(duì)稱。5#和6#FSS平板的對(duì)稱方式如圖11和圖12所示。

圖11 上下FSS屏周期結(jié)構(gòu)對(duì)稱方式Fig.11 The splice of symmetrical FSS

圖12 上下FSS屏周期結(jié)構(gòu)不對(duì)稱方式Fig.12 The splice of anisomerous FSS

5#FSS 平板和6#FSS 平板不同入射角下通帶損耗測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖13、圖14所示。由圖13和圖14可以看出，0°入射角時(shí)，5#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.2 dB，6#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.5 dB，通帶損耗增大0.3 dB。60°入射角時(shí)，，5#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時(shí)損耗為-1.7 dB，6#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz時(shí)損耗為-2.75 dB，通帶損耗增大了1.05 dB。，在0°和60°入射角，6#FSS 平板在諧振頻率16 GHz 左右通帶損耗均高于5#，5#FSS 平板上下兩層FSS 屏周期單元對(duì)稱，6#FSS平板上下兩層FSS屏周期單元不對(duì)稱，結(jié)果表明多層FSS屏不對(duì)稱將導(dǎo)致通帶損耗增大。

圖13 5#和6#平板入射角0°通帶損耗Fig.13 The in-band transmission loss of slab（0°）

圖14 5#和6#平板入射角60°通帶損耗Fig.14 The in-band transmission loss of slab（60°）

3 結(jié)論

（1）對(duì)于圓環(huán)型FSS 單元特征，F(xiàn)SS 屏拼接縫數(shù)量的增加，導(dǎo)致受影響的邊緣周期單元數(shù)量增加，使單元電流分布偏離諧振頻率基準(zhǔn)電流，從而使通帶損耗增加，因此成型過程中應(yīng)盡量采用大尺寸柔性FSS屏來減少FSS屏拼接造成的通帶損耗增加。

（2）在FSS 屏拼接過程中，F(xiàn)SS 屏單元結(jié)構(gòu)周期性被破壞會(huì)導(dǎo)致通帶損耗增大，通帶透波率降低，因此在FSS 屏拼接成型中應(yīng)盡量使拼接處的周期單元對(duì)齊，保持周期單元連續(xù)一致。

（3）對(duì)于圓環(huán)型FSS 單元特征，多層FSS 屏之間存在較強(qiáng)的電流耦合現(xiàn)象，影響諧振電流，從而影響通帶損耗，多層之間周期單元結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，層間耦合作用較弱，諧振電流較弱，通帶損耗高，因此成型過程中應(yīng)采用工藝手段保證各層FSS 屏周期單元上下位置對(duì)齊。