一体化FSS雷达罩设计与加工方法研究

发布时间：2020-07-22 21:43

【摘要】：在21世纪的今天,飞行武器的隐身是现代军事领域核心技术竞争的重点研究方向之一。飞行器雷达罩内的天线结构是雷达信号的强散射源,对目标总雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)的贡献高达40%以上。将频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)应用于飞行武器制导舱是目前有效降低目标雷达散射截面,提高飞行器隐身能力的最佳选择。频率选择表面是指在金属表面上进行周期排布的孔隙或介质上周期排布的金属贴片结构,其本质是一种空间电磁波滤波器。具有带通性质的FSS能够实现通带内电磁波以低插入损耗的方式透过,而通带外的信号则发生反射,从而实现飞行武器隐身。然而,大型不可展开曲面上FSS单元数目多,结构及排布复杂,国内在FSS雷达罩的整体性仿真和一体化加工方法上与美、英、俄等军事强国仍存在较大差距。本论文首先利用COMSOL/CST仿真软件对FSS雷达罩的电磁滤波特性和综合服役性能进行建模分析。从平面无限大FSS的分析入手,设计了中心频率为17GHz的Y型带通FSS,分析了 FSS的极化稳定性和角度稳定性,研究了单元结构参数变化对电磁传输性能的影响。为了实现对曲面FSS的整体性仿真分析,设计了相控阵天线,并基于空间准周期建模方法在曲面上进行FSS单元结构的排布,通过曲面FSS雷达罩与相控阵天线一体化的仿真分析模型,从天线远场辐射方向图提取曲面FSS雷达罩的关键电磁特性参数。针对曲面FSS雷达罩的一体化加工难题,论文创新性地提出了利用六自由度激光机器人与旋转台联动的整体加工方案,实现对雷达罩表面进行非接触式的单元结构加工,克服传统机械加工手段引起雷达罩形变的问题,实现了共形曲面FSS雷达罩的一体化加工。并通过微波暗室对FSS雷达罩进行综合测试,结果表明,所设计的共形曲面FSS雷达罩具有良好的电磁传输特性。针对常规FSS雷达罩不能缩减双站RCS的特点,对具有吸波和透波功能一体化的FSS复合级联结构进行了探索,采用金属带通FSS结构和阻抗性FSS贴片分别排布于介质两侧的设计方案,获得了宽带透波、高频低反射特性的复合级联结构。仿真结果表明,这种结构能够有效降低带外RCS,在降低双站RCS方面有很大的应用前景。
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V218;V271.4
【图文】：

雷达散射截面,战斗机,雷达波,目标

数十年的发展，仍在不断更新中。随着雷达探测技术的发展，雷达反隐身性能不逡逑断提升，这对飞行武器的隐身性能要求也随之提升。一些军事强国在隐身技术的逡逑研宄上己经取得了一系列重要成果。如图１－１所示为世界上已经服役的最新一代逡逑先进战斗机Ｆ２２邋（图中画圈位置为雷达罩），该战斗机除了具备超音速巡航、超逡逑视距作战、超机动性能之外还具备超级隐身能力。隐身能力成为评价最新一代飞逡逑行武器战斗性能的重要技术指标。逡逑Ｉ逡逑图１－１Ｆ２２战斗机逡逑雷达散射截面（ＲａｄａｒＣｒｏｓｓ邋Ｓｅｃｔｉｏｎ，简称ＲＣＳ）是用于表征目标在雷达波照逡逑射下所产生回波信号强度的物理量，又称后向散射截面，是雷达入射方向上目标逡逑散射雷达信号能力的度量，ＲＣＳ越小表示所产生的回波信号越弱，飞行器的隐身逡逑性能越好。ＲＣＳ定义为，目标在立体角内向接收机处散射功率与入射波在目标上逡逑的功率密度之比的４ｔｉ倍［２］。飞行器在雷达探照下的主要散射源来自于飞行器外逡逑形、座舱、雷达舱、进气道和喷气口等。不同几何结构的ＲＣＳ是不同的，ＲＣＳ的逡逑缩减可以通过飞行器外形设计结合吸波涂层实现，但是对于雷达舱的隐身则要复逡逑１逡逑

示意图,带通,原理,示意图

实现通带内电磁波以低插入损耗的方式透过，而通带外的信号则发生反射，通过逡逑不同单元结构的设计，可以获得对空间中特定频率的电磁波表现出带通性质的空逡逑间滤波器［７］。对于带通型的ＦＳＳ，其工作原理如图１－２所示，当入射信号为带内逡逑信号的时候，ＦＳＳ对信号“透明”，能够自由透过，而当信号处于传输带外的时候，逡逑发生反射。逡逑带外１＾邋：逦：：：：１逡逑渗带内信１＼逡逑带通邋ｆｓｓ逡逑图１－２带通型ＦＳＳ原理示意图逡逑３逡逑

雷达罩,应用场,工作原理图,敌方

图１－３雷达罩工作原理图（ａ）传统雷达罩（ｂ）邋ＦＳＳ雷达罩逡逑本文主要针对ＦＳＳ与雷达罩相结合的应用场景进行研宄，雷达罩的工作原逡逑理如图１－３所示。图１－３邋（ａ）所示为传统的雷达罩，对电磁波透明的罩体在电磁逡逑波辐射下，己方雷达信号自由穿过雷达罩的同时，敌方雷达信号也会轻易进入雷逡逑达舱内部，进入到雷达舱内部的敌方探测信号一部分经天线阵面发生镜面反射，逡逑一部分激励天线结构产生二次散射，叠加之后产生了很强的散射信号，极大增加逡逑了被敌方雷达发现的可能性。图１－３邋（ｂ）所示为加载了邋ＦＳＳ雷达罩，将ＦＳＳ谐逡逑振频点设计在自身雷达天线工作波段，敌方探测信号位于带外波段。ＦＳＳ雷达罩逡逑对于我方信号“透明”，而对于敌方雷达信号，结合外形和ＦＳＳ对带外信号的反射逡逑特性，能够将敌方探测信号反射到其他方向，实现了带外电磁信号屏蔽，从而避逡逑免了鼻椎方向由于天线阵面所产生的强镜面反射和天线结构导致的二次散射

【相似文献】