无人作战飞机天线多层频率选择表面技术*

任 然，芮 锡

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



无人作战飞机天线多层频率选择表面技术*

任 然**，芮 锡

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

无人机作战飞机(UCAV)快速发展的同时，无人机平台天线的频率选择表面(FSS)技术也得到广泛应用。设计和测试了一种用于无人作战飞机天线隐身的多层频率选择表面，多层频率选择表面通带为K频段，并且有一个很宽的阻带。数值结果和测试结果验证了该频率选择表面的有效性。该设计技术可以广泛应用在今后无人作战飞机天线隐身上，也可以用在其他隐身平台的相关天线设计中。

无人作战飞机；天线隐身设计；频率选择表面；雷达散射截面缩减

1 引 言

无人作战飞机(Unmanned Combat Aerial Vehicle，UCAV)由于不需要作战人员直接面临各种威胁，实现零伤亡，而被广泛用于空中作战，在军事上和政治上都有很强烈的使用需求。伴随着战场的信息化发展，目前无人作战飞机主要用于空-空/空-地攻击、侦察监视、通信中继等。无人作战飞机快速发展，其面临的威胁也愈加严重，特别是在拒止空间，面临多种有源及无源的探测，多频段高功率干扰、拦截等。为了适应多变、恶劣的战场环境，提高UCAV的生存能力和作战能力，除了提高机载的传感器、飞行系统、武器系统的能力外，UCAV的隐身性能越来越受到关注。世界各国都在不断发展隐身相关技术，提高飞机的隐身水平[1-2]，降低UCAV在战场被探测、截获和攻击的概率。无人机目前最主要的隐身技术包括雷达隐身、辐射隐身和红外隐身，其中，雷达隐身的核心是降低无人机平台的雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)[1,3]，防止被敌方各个频段预警雷达及制导雷达发现和锁定。

目前，全球主要发展的无人机有无人作战飞机(如X-47B)、无人侦察机(如“全球鹰”)及察打一体无人机。无人机系统为了实现通信、测控、探测等功能，需要配置大量的传感器。传感器的最外端天线直接影响了无人机整机的雷达隐身。虽然目前天线都有共形安装的要求，但由于天线分布在机体表面，电磁波在天线表面依然有很强的散射贡献，参与了整机对外的散射，因此为了有效降低无人机RCS，必须要合理设计天线，减缩天线RCS。为了保证天线正常工作，同时又能提高天线的隐身性能，在无人机平台中，频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)成为天线隐身的关键技术之一。普通的天线罩是全透波的，导致了在天线的工作频带外，雷达波能直接透过天线罩进入天线腔体，造成散射回波增强。而FSS只是在天线工作频带有透波特性，天线工作频带外的雷达波则无法进入天线罩内部，基本呈现全反射特性，起到了空间滤波的作用，消除了由于天线阵面和腔体造成的强散射作用，能有效降低天线带外的RCS。

从20世纪60年代开始，国外针对天线隐身已相继开展了很多工作，如铁氧体吸波材料[4]、频率选择表面技术[5-6]。但是，吸波材料技术有一定的使用局限，比如：天线工作频带内吸波材料的吸波特性会影响天线自身的辐射性能，尤其是C、X、Ku、K频段的天线，吸波材料的使用有很强的局限性。80年代，随着隐身技术的开展，FSS较早地运用于天线的隐身技术中，主要用于机载雷达、共形天线的天线罩结构中。国外FSS技术在理论方面已经成熟，能有效指导工程项目中的天线罩设计。美军现役F-22、F-35、X-47B的机载天线部分都采用了FSS技术，有效降低了天线的RCS，满足飞机平台的高隐身设计需求。国内在无人机隐身技术方面的研究工作开展较晚，许多技术还仅仅处于理论研究阶段，特别是对曲面共形FSS、宽带多层FSS等设计方面，还有明显差距。虽然目前已开展FSS技术方面的研究，取得了一定的研究成果，但离实际工程应用还有一定的差距。

本文主要针对目前无人机的天线宽带隐身需求，突破了FSS保证在天线带外有宽带高效的截止特性，同时保证在天线带内有很低的损耗，并且通过实物测试验证了该FSS的特性，可为未来无人作战飞机的隐身提供技术支撑。

2 多层频率选择表面设计

2.1 方案设计

FSS的特性主要取决于FSS单元的形状和尺寸。常见FSS单元可分为环形单元(Loop Elements)、中心连接形单元(Center Connected Elemnets)、实芯单元(Solid Interior Elements)和组合形单元(combinations)4种类型。二维FSS的栅格排列方式一般有两种，即矩形栅格排布和斜三角栅格排布。通常，无人机面临的威胁雷达广泛分布于海、陆、空、天，其工作频段覆盖较宽，一般从L、S、C、X一直到Ku频段都有。因此，针对无人机的隐身设计，原理上要求天线FSS罩的FSS特性也能覆盖整个雷达频段。然而，FSS罩的FSS特性通常是基于电磁谐振特性实现的，同时也需要考虑天线自身的工作频带。电磁谐振决定了FSS罩的FSS特性较窄，因此，FSS达到谐振特性给其在宽带雷达隐身中的应用带来了挑战。于是，多层FSS及可重构的频率选择表面(Reconfigurable FSS，RFSS)引起了人们的关注。RFSS是通过外加动态调控器件，实现对FSS电磁特性的动态实时控制。因此，我们可以针对雷达频率特点，实时调控FSS罩的FSS特性，使其动态满足天线隐身的需要。

加载介质可以很好地降低FSS对入射波入射角度的敏感性，但同时也影响FSS的谐振频率。假设空间自由FSS的中心谐振频率为f0，对于介质单侧加载或对称加载时FSS的谐振频率分别为f1和f2，计算公式为

(1)

(2)

式中：εr为相对介电常数。

对称加载时，假设介质为无限厚度(h→)，由Maxwell方程很容易得出谐振频率将降至f2;假如介质厚度h减至有限值，则谐振频率将处于f0和f2之间。然而,当h减至很小(约0.05λ0)时，谐振频率将趋近于自由FSS的f0。单侧加载时，无论介质加载在自由FSS的哪一侧(前侧或后侧)，对FSS传输特性的影响是相似的。当加载介质厚度由小变大时，起初谐振频率下降的幅度较大，随着厚度的增加，谐振频率又有回升的趋势。介质厚度为有限值h时，谐振频率将处于f0和f1之间。

单层FSS在很多情况下很难满足系统带宽的要求，这时就需要使用多层FSS级联进行设计。将多个单层FSS通过加载介质层相级联，构成多层FSS。实际中考虑到设计的复杂程度，一般采用双层或三层的FSS。多层FSS比单层FSS具有更大的带宽，在工作频带内具有平坦的传输曲线，同时工作带宽的边缘截止趋势也明显加快。多层FSS可部分消除单层FSS产生的表面波的影响，提高传输或反射系数。这些都是多层FSS目前广泛使用的重要原因。根据不同的需要，实际使用的多层FSS的两个金属屏结构可以相同也可以不同。

由于天线工作于K频段(21.4～22.9 GHz)，天线的隐身设计频带为2～18 GHz，天线工作频段与隐身设计频段间隔仅为3.4 GHz，在如此窄的频带内实现天线罩频率选择特性的快速变化，也给该FSS的设计带来了极大的难度。FSS天线罩根据结构的不同，可分为单层FSS天线罩、双层FSS天线罩及多层FSS天线罩。随着FSS层数所增加，天线罩频率选择特性将更加陡峭，如图1所示。为实现隐身设计频带阻带效果明显，采用两层或多层FSS图案的天线罩结构方案，提高天线罩的频率选择特性的陡峭程度，从而满足该天线罩的性能需求，有效地提高该天线罩频率选择特性随电磁波入射角度的隐定性，并且还具有对两种极化TE、TM入射的频率选择的一致性。考虑到天线工作频段距离RCS考察频段太近，单层或者双层难以达到截止效果，这里选用3层FSS级联形式。

图1 典型FSS单元双层及单层FSS特性图Fig.1 Characters of single-layer FSS and two-layer FSS element

频率选择表面天线罩结构如图2所示，中间泡沫为石英玻璃布和FSS图案，形成三明治式的夹层架构。两侧对称分布着低介电常数的PMI泡沫(εr=1.05(1-0.005j)),FSS图案总厚度约5.8 mm，其中石英玻璃布的厚度为0.8 mm，PMI泡沫厚度为1.7 mm。

图2 K/Ka频段FSS罩结构示意图Fig.2 The structure of K/Ka band FSS

频率选择表面单元为带通型FSS结构，在天线工作频段为通带，其他频段为阻带。单元为正六边形缝结构，六边形环内边的内切圆半径为Rin，缝隙宽度为dg，外侧单元之间连接的金属宽度为ds。同时，该FSS单元采用三角布阵方式,结构如图3所示。

图3 FSS单元图案及排布形式Fig.3 The element of FSS and array arrangement

采用周期性边界条件，运用HFSS仿真软件对上述FSS天线罩单元进行全波计算，对其反射、透射性能进行分析，天线罩的尺寸为200 mm×200 mm。通过优化设计，FSS单元的结构参数为Rin=0.65 mm，dg=0.15 mm，ds=0.2 mm，周期p=2 mm。仿真中介质材料采用氢酸酯石英玻璃布的介电常数，即εr=3.1(1-0.005j)。

采用HFSS对单元进行仿真设计。从仿真结果可看出，在0°电磁波TM入射下，该天线罩频率-1 dB的通带为18.7～23 GHz，覆盖整个K天线的工作频带。在通带内，透波率较为平坦，中心的透波率为0.4 dB，满足带内-1 dB的损耗要求。另外还可以看出，带外透波率数值迅速下降，在17 GHz，透波率就迅速降至-8 dB，实现了较为陡峭的FSS特性。在6～15 GHz，全频带内0°电磁波入射的截止率均小于-10 dB。其中在X频段，全频带内仿真透波率小于-25 dB。

2.2 实物测试验证

为了进一步验证FSS罩的带内透波性能以及阻带截止特性，我们按照仿真FSS尺寸参数制作了FSS图案，并敷制了平面型天线罩，如图4所示。采用天线接收功率对比的方法测试待测目标的传输系数。测试宽频带天线在自由空间中的宽频接收功率，以该测试数据为标定值。再将待测目标放于宽带天线之前，并测试接收天线的接收功率，与自由空间情况的标定值进行对比，从而得到待测目标的传输系数，如图5所示。

图4 FSS实物图片Fig.4 Photo of the manufactured FSS

图5 传输系数测试原理图Fig.5 The testing diagram of FSS transmission coefficient

对该FSS平面结构样件进行传输系数测试,测试结果如图6所示。由测试曲线可知，在18～23.6 GHz出现了明显的通带,带内的透波率损耗在-0.8 dB左右,达到了要求。0°入射时，6～15 GHz的截止率大于-15 dB，与仿真结果基本一致。与相关文献设计相比较，本文设计明显提高了FSS通带与阻带的陡峭程度，在保证带内损耗低的同时提高了带外的截止特性。

图6 频率选择表面透波特性Fig.6 The transmission character of the FSS

与仿真结果相比可以看出，透波率曲线稍稍往高频偏移了0.7 GHz左右，且带内的透波率有所下降。这可能是由两方面原因引起的:第一，在实际FSS罩加工中，为了保证结构粘接强度，胶膜含量较多，导致损耗特性变差;其次，由于FSS层数较多，FSS加工精度要求较高,而实际加工中，很难达到设计要求，导致FSS图案相对位置和整个FSS罩的厚度与设计值有较大的偏差,从而导致设计频带和透波率数值与仿真值有误差。

3 结 论

通过仿真设计和样件加工测试，本文设计了一种基于六边形的多层频率选择表面。该频率选择表面在通带内有很好的透波特性，同时在很宽的阻带范围内(6～15 GHz)有很好的带阻特性，尤其在X频段。仿真和测试的一致性验证了该设计的有效性和准确性。该频率选择表面技术可以在今后的作战无人机平台的天线上广泛应用，在保证天线辐射性能的同时，也能提高天线带外隐身性能。

[1] 阮颖铮.雷达截面与隐身技术[M]．北京：国防工业出版社,1998.

[2] 桑建华.飞行器隐身技术[M]．北京：航空工业出版社,2013.

[3] DAVID L J. Introduction to RF stealth[M].North Carolina:SciTech Publishing Inc.,2004.

[4] POZARD M. RCS reduction for a microstrip antenna using a normally biased ferrite substrate[J].IEEE Microwave Guided Wave Letters,1992,2(5):196-198.

[5] VOLAKIS J L,ALEXANIAN A,LIN J M. Broadband RCS reduction of rectangular patch by using distributed loading[J].Electronies Letters,1992,28(25):2322-2323.

[6] ZHENG Y,GAO J,CAO X,et al.Wide band RCS reduction and gain enhancement microstrip antenna using chessboard configuration superstrate[J].Microw and Optical Technology Letters,2015,57(7):1738-1741.

Multi-layer Frequency Selective Surface for Antenna of Unmanned Combat Aerial Vehicles

REN Ran，RUI Xi

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

With the rapid development of unmanned combat aerial vehicle(UCAV),the frequency selective surface(FSS) technique has been widely applied for the antennas of unmanned combat aircraft vehicle. This paper describes the design and measurement of a multi-layer FSS in order to reduce the radar cross section(RCS) of the antennas of UCAV. The proposed FSS has the pass-band centered at K band and also wide out-of-band rejection. Numerical results and measured results show the efficiency of the proposed FSS. The technique proposed in this paper can be widely applied in UCAV’s antenna stealth and other stealth platforms’ antenna design.

unmanned combat aerial vehicle(UCAV)；antenna stealth design;frequency selective surface；radar cross section reduction

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.006

任然，芮锡.无人作战飞机天线多层频率选择表面技术[J].电讯技术，2017,57(7):768-771.[REN Ran，RUI Xi.Multi-layer frequency selective surface for antenna of unmanned combat aerial vehicles[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):768-771.]

2017-03-13；

2017-06-05 Received date:2017-03-13；Revised date：2017-06-05

TN828

A

1001-893X(2017)07-0768-04

任 然(1973—)，女，四川眉山人，1995年获工学学士学位，现为高级工程师，主要从事航空电子总体设计工作;

Email：renran1973@163.com

芮 锡(1983—),男,江苏溧阳人,博士,高级工程师,主要研究方向为航空电子、辐射与散射、天线系统。

Email:654944155@qq.com

**通信作者：renran1973@163.com Corresponding author：renran1973@163.com