基于频率选择表面的雷达罩仿真及制备技术研究

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飞行器隐身技术的发展正在逐渐改变现代战争模式。飞行器雷达天线系统由天线、雷达罩、和其他高频部件组成,雷达舱中的天线需要对外辐射和接收电磁波,不能简单地采用吸波材料屏蔽,其隐身效果直接影响到飞行器的隐身能力。频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是周期性排布的金属贴片或孔径单元结构,本质上是一种空间电磁波滤波器,具有选择性透过电磁波的作用,已经被广泛应用于各种复杂的电磁环境。将FSS应用于飞行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。本论文从FSS等效电路模型出发,介绍了几种基本FSS结构的等效电路模型的经验公式。经验公式能够估算FSS结构谐振频率的位置,但与仿真计算结果始终存在一定的误差。利用等效电路反演法,结合时域有限差分法(Finite difference time domain method,FDTD)仿真得到FSS的等效感抗和等效容抗,通过传输线理论求解FSS结构的传输特性,其准确度与仿真精确度成正相关。证明了等效电路反演法能更好地帮助构建和分析FSS等效电路模型。为了提升隐身能力,FSS需要尽可能窄的通带带宽。针对这一需求,论文根据谐振腔理论设计了频率响应不相关的双层斜十字型FSS结构,并利用等效电路反演法求解双层FSS结构的等效阻抗,通过传输线理论得到的透射曲线与FDTD仿真计算结果一致;利用激光机器人加工系统制备双层斜十字FSS结构,微波暗室测试结果表明所设计的双层FSS窄带性能与仿真结果基本一致。目前对FSS的仿真大多是基于无限大平面,对有限大、曲面FSS、以及FSS雷达罩与天线一体化建模研究较少。本文利用CST和FDTD软件分析了有限大FSS有限阵列数目对传输和电磁特性的影响。根据平面FSS单元排布规则,在半球共形曲面对FSS单元进行准周期排布,通过对半球FSS雷达罩与相控阵天线一体化建模仿真,讨论和分析了半球FSS雷达罩的电磁传输及隐身特性。最后,针对在大型曲面结构上的制备FSS结构的技术需求,提出了模板法结合喷涂的制备工艺。利用3D打印技术制备了树脂雷达罩模型和喷涂模板,将石墨烯浆料喷涂在雷达罩模型上,形成了排布规则、覆盖良好的FSS层,验证了这一工艺的可行性,为下一步喷涂金属FSS奠定了基础。
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