復(fù)合超材料頻率選擇表面天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成形工藝分析

王艷麗，趙小勇，龔仔華，康龍輝

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

天線(xiàn)罩是將天線(xiàn)與外界環(huán)境形成物理隔離，從而保護(hù)天線(xiàn)能在風(fēng)、雪、雨、冰雹等惡劣環(huán)境條件下正常工作的一種設(shè)施；它既是飛行器的一部分，又是雷達(dá)系統(tǒng)的一部分，集電磁透明性與結(jié)構(gòu)防護(hù)性為一體。某飛行器天線(xiàn)罩不僅需保護(hù)內(nèi)部天線(xiàn)系統(tǒng)、提供盡量透明的電磁窗口，還需滿(mǎn)足飛行器氣動(dòng)與隱身的兼容性要求。

傳統(tǒng)介質(zhì)型天線(xiàn)罩可通過(guò)對(duì)其不同區(qū)域罩壁厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其在某些應(yīng)用場(chǎng)景下滿(mǎn)足電性能工作要求。然而，該飛行器天線(xiàn)罩應(yīng)用場(chǎng)景為高頻，由于波長(zhǎng)較短，天線(xiàn)罩壁厚度應(yīng)盡可能薄，才能使其獲得較高的透波率，但薄壁天線(xiàn)罩往往滿(mǎn)足不了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；另一方面，傳統(tǒng)純介質(zhì)型天線(xiàn)罩一般是在非透波工作區(qū)域加載吸波材料，但該方法不能實(shí)現(xiàn)該型天線(xiàn)罩高性能隱身功能的要求，因此相較于天線(xiàn)罩傳統(tǒng)隱身設(shè)計(jì)，通常的途徑還包括頻率選擇表面（FSS），即通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波帶通或帶阻特性的調(diào)制來(lái)達(dá)到隱身性能要求。

該飛行器天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)思路上采用了FSS設(shè)計(jì)方法，即天線(xiàn)帶通頻段（高頻）內(nèi)高透波、帶外頻段（隱身頻段）內(nèi)高截止。天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)上相較頻率選擇表面（FSS）又有所不同，不同點(diǎn)一：天線(xiàn)工作（透波）區(qū)和非透波區(qū)均使用了超材料，且超材料按使用功能不同其微結(jié)構(gòu)采取了分區(qū)設(shè)計(jì)；不同點(diǎn)二：超材料設(shè)計(jì)結(jié)合了隱身元素，即非透波區(qū)采用鋸齒行波抑制超材料以降低飛行器雷達(dá)散射面積（RCS）。為實(shí)現(xiàn)較好的氣動(dòng)外形和符合低RCS外形要求，該天線(xiàn)罩理論外形設(shè)計(jì)為尖錐狀，航向長(zhǎng)度340mm，其外形示意圖見(jiàn)圖1，采用超材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可保證整個(gè)罩體面在帶外表現(xiàn)為強(qiáng)截止特性，又可滿(mǎn)足雷達(dá)波在帶內(nèi)的高透波率設(shè)計(jì)，保證了電信性能的設(shè)計(jì)要求。

圖1 天線(xiàn)罩外形示意圖

1 天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于天線(xiàn)罩高頻透波、低頻寬帶截止的特性，利用超材料的諧振疊加特性，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)罩透波隱身功能。綜合考慮結(jié)構(gòu)、承載、環(huán)境適應(yīng)性及天線(xiàn)罩內(nèi)部安裝空間等要求，將該天線(xiàn)罩設(shè)計(jì)為主體基材與超材料頻率選擇表面相結(jié)合的層合結(jié)構(gòu)，即復(fù)合超材料頻率選擇表面天線(xiàn)罩，基礎(chǔ)厚度≤3mm。依據(jù)天線(xiàn)安裝位置及工作區(qū)域角度范圍要求，天線(xiàn)罩透波區(qū)域航向長(zhǎng)度應(yīng)≥210mm；天線(xiàn)罩與天線(xiàn)艙對(duì)接框之間采用套接形式，在其尾部設(shè)置了30mm的套接區(qū)；天線(xiàn)罩透波區(qū)與尾部套接區(qū)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，針對(duì)天線(xiàn)罩的隱身設(shè)計(jì)要求，還需在透波區(qū)與尾部套接之間進(jìn)行鋸齒設(shè)計(jì)，以抑制不連續(xù)截面上的電磁散射。具體分區(qū)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分區(qū)示意圖

再者，為兼顧天線(xiàn)罩外形尺寸的約束，天線(xiàn)罩主體基材使用透波復(fù)合材料提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度承載功能，超材料功能層內(nèi)嵌于天線(xiàn)罩主體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的特定位置，形成層合結(jié)構(gòu)層/超材料功能層/層合結(jié)構(gòu)層的構(gòu)型形式，罩壁超材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)型示意圖見(jiàn)圖3（a）；按仿真計(jì)算優(yōu)選結(jié)果，超材料微結(jié)構(gòu)典型單元設(shè)計(jì)為帶通型，微結(jié)構(gòu)單元示意圖見(jiàn)圖3（b）。

另外，針對(duì)透波區(qū)與非透波區(qū)（過(guò)渡區(qū)與連接區(qū)）的電磁不連續(xù)邊界進(jìn)行了鋸齒化設(shè)計(jì)。按圖2天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分區(qū)要求，在天線(xiàn)罩后部進(jìn)行了鋸齒設(shè)計(jì)，該區(qū)域范圍決定了鋸齒設(shè)計(jì)的可用長(zhǎng)度，同時(shí)也決定了鋸齒的性能。依據(jù)鋸齒設(shè)計(jì)原則：應(yīng)避免電磁波在整個(gè)考察角域范圍內(nèi)垂直鋸齒邊的情況發(fā)生；同時(shí)還應(yīng)遵守平行原則，以減少考察角域外電磁波反射峰的數(shù)量。因此，該天線(xiàn)罩鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4，鋸齒長(zhǎng)度105mm，底端距尾部距離為80mm，鋸齒尖端距尾部距離為130mm；鋸齒水平面投影角為86°，豎直面投影角為80°。

圖3 天線(xiàn)罩壁超材料微結(jié)構(gòu)示意圖

該型天線(xiàn)罩采用石英纖維結(jié)構(gòu)層/超材料功能層/石英纖維結(jié)構(gòu)層一體化設(shè)計(jì)，鋪層設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖見(jiàn)圖5，天線(xiàn)罩外側(cè)為1.35mm厚度的石英纖維層壓結(jié)構(gòu)（外蒙皮1.17mm，單層厚度0.09mm，共13層；再加表面保護(hù)層0.09mm，0.1mm膠膜）；天線(xiàn)罩外側(cè)的次外層按鋸齒線(xiàn)劃分鋪覆功能材料作為功能層1，最外層為單層石英纖維層作為功能材料表面保護(hù)層；最中間以超材料層作為功能層2；內(nèi)側(cè)亦為1.35mm厚的石英纖維層壓結(jié)構(gòu) （共15層，單層厚度0.09mm），天線(xiàn)罩內(nèi)側(cè)尾端30mm寬區(qū)域?yàn)檠b配區(qū)，進(jìn)行局部增厚處理 （較內(nèi)蒙皮增加1層，共16層，1.44mm）；共固化前，內(nèi)外石英纖維層壓結(jié)構(gòu)與超材料結(jié)構(gòu)功能層之間均鋪覆了膠膜（0.1mm）以提高層間力學(xué)性能。

圖4 天線(xiàn)罩鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 天線(xiàn)罩鋪層設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖

2 天線(xiàn)罩成形工藝分析

為獲得較優(yōu)的氣動(dòng)外形和保證隱身性能，天線(xiàn)罩外形尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，外形容差要求為±0.2mm，因此天線(xiàn)罩固化成形模具采用陰模工裝結(jié)構(gòu)。為保證超材料層的準(zhǔn)確位置，在工裝上專(zhuān)門(mén)設(shè)置了鋪層定位線(xiàn)進(jìn)行鋪層邊界定位。

天線(xiàn)罩用預(yù)浸料及功能超材料薄膜層的鋪貼順序按圖5鋪層設(shè)計(jì)結(jié)果示意圖進(jìn)行，具體鋪貼順序如下：

1）先在陰模上鋪貼1層厚度0.09mm的表面保護(hù)層預(yù)浸料；

2）在表面保護(hù)層內(nèi)按鋸齒線(xiàn)劃分鋪覆行波抑制超材料以及銅網(wǎng)作為功能層1；

3）鋪貼外蒙皮剩余的13層預(yù)浸料；

4）鋪貼透波區(qū)超材料層及行波抑制超材料層作為功能層2；

5）鋪貼內(nèi)蒙皮13層預(yù)浸料；

6）在內(nèi)側(cè)蒙皮末端往尖頭方向30mm寬區(qū)域內(nèi)，增加1層預(yù)浸料鋪層。

天線(xiàn)罩鋪貼完成后，其中超材料薄膜作為天線(xiàn)罩的一個(gè)鋪層，其與主體基材石英纖維/氰酸脂一起共固化，固化工藝采用熱壓罐工藝。

3 結(jié)語(yǔ)

該復(fù)合超材料頻率選擇表面天線(xiàn)罩首次制作后進(jìn)行了透波和隱身性能摸底測(cè)試，基本滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定目標(biāo)。但因其截面為多面體復(fù)雜異形截面，頻選超材料微結(jié)構(gòu)層無(wú)法對(duì)天線(xiàn)罩外形進(jìn)行一體式鋪貼，采取的層片搭接處理會(huì)破壞頻選層整個(gè)周期結(jié)構(gòu)的完整性，造成多處電磁不連續(xù)邊界，使得實(shí)際隱身性能測(cè)試結(jié)果劣于仿真計(jì)算結(jié)果；其次，天線(xiàn)罩頭部較尖，尖頭區(qū)域纖維含量偏高，天線(xiàn)罩實(shí)際透波率較計(jì)算值偏低。后續(xù)擬對(duì)超材料頻選功能層搭接方案及鋪貼方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)尖部區(qū)域鋪層層片進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)及鋪貼仿真，以改善天線(xiàn)罩透波和隱身性能。