頻率選擇表面（FSS）柔性屏鋪覆工藝對透波窗口透波性能的影響

梁 垠 蘭 天 董立超 張春波 刁訓剛

（1 航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074）

（2 北京航空航天大學，北京 100191）

文 摘 為了研究工程中柔性FSS屏鋪覆工藝對透波窗口通帶插損的影響，設計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。拼接褶皺對周期結構破壞最大，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，在鋪覆工藝時應盡量避免破壞柔性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構。利用FSS技術，可使一定頻帶內的電磁波呈現透明狀態，且其透波特性隨頻率變化而變化，而在另一些頻帶內呈現出接近全反射特性［2-4］。將FSS技術與透波窗口有效結合，可有效地實現雷達天線的隱身和電子設備抗干擾能力［5-7］。

在FSS透波窗口制造技術方面，一種簡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］，然后采用鋪覆粘結工藝轉移到天線罩上，這是FSS 透波窗口制備常用的、相對比較簡單方法［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，會不可避免地出現拼接縫隙、拼接褶皺、層間錯位等缺陷，這些缺陷造成FSS 結構整體有序性和連續性遭到破壞，而FSS結構整體有序性和連續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行準確評估。

國外B.A.Munk 研究了不同形狀的FSS 單元結構錯位位移誤差對FSS 電磁傳輸特性的影響［13］。國內國防科學技術大學的陳強等針對曲面FSS 天線罩在實際制備過程中雙層方環形FSS 單元結構出現的單個方向錯位位移誤差情況，探討了錯位位移對雙層FSS 單元結構電磁反射特性的影響［14］。南京理工大學的王立超研究了三層FSS 單元結構在兩個方向上同時發生錯位位移誤差時的電磁傳輸特性影響規律［15］。西北工業大學的馬鑫等針對頻率選擇表面在實際加工過程中存在的隨機誤差問題，提出了一種基于隨機誤差的FSS 理論分析模型，同時給出了頻率選擇表面傳輸系數的數學期望計算公式［16］。北京航空航天大學的黃敏杰等考察了單元形狀的微小改變對方環形FSS 單元結構電磁傳輸特性的影響［17］。

本文通采用工藝試驗和透波性能測試的方法分析了這種工藝缺陷對透波窗口透波性能的影響，通過工藝設計研究了柔性FSS 屏拼接縫隙、拼接褶皺、層間錯位對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用提供了設計依據。

1 實驗

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/氰酸酯樹脂預浸布。

1.2.2 石英纖維/氰酸酯復合材料面板制備

石英纖維/氰酸酯復合材料面板結構如圖1所示，FSS單元特征及排布方式如圖2所示。

圖1 面板結構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/氰酸酯預浸料和氰酸酯載體膠膜裁剪成500 mm×500 mm，按順序將一層石英布/氰酸酯預浸料、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 泡沫兩側貼覆J-245CQ 膠膜，然后按順序將面板、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 樣品測試

通帶插損采用自由空間傳輸反射法［19］在北京環境特性研究所進行測試，入射角0°和60°。

2 結果與分析

2.1 FSS屏拼接縫隙的影響

設計并研制了兩種不同拼接縫數量的FSS平板，編號分別為1#和2#，1#FSS 平板采用2 張FSS 屏拼接，拼接縫隙一條，2#FSS 平板采用8 張FSS 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FSS屏拼接方式Fig.3 The splice of two sheet FSS

圖4 8張FSS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，1#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-0.9 dB，2#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz時損耗為-1.2 dB，通帶損耗增大0.3 dB。60°入射角時，1#FSS平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.35 dB，2#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.65 dB，通帶損耗增大了0.3 dB。根據譜域Galerkin 法原理［20］，FSS 周期陣列的截斷對邊緣單元電流分布影響較大，對內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［21］。2#FSS 平板相對1#FSS 平板周期陣列截斷更多，因此2#FSS 平板相對1#FSS 平板受影響的邊緣單元更多，電流分布起伏較大，會偏離諧振頻率基準電流，從而通帶損耗增大。試驗結果也表明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屏鋪覆粘貼時不可避免出現褶皺，從而造成整個周期陣列被打亂，為此設計并研制了兩種FSS 平板，編號分別為3#和4#，3#FSS 平板由4 塊FSS 屏拼接而成，FSS 拼接時保持周期單元連續、完整，4#FSS 平板也由4 塊FSS 屏拼接而成，拼接時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屏連續拼接方式Fig.7 The splice of consecutive FSS

圖8 FSS屏不連續拼接方式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，3#FSS平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.08 dB，4#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.85 dB，通帶損耗增大0.77 dB。60°入射角時，3#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.31 dB，4#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-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，但4小塊FSS 屏在拼接后形成的大FSS 屏周期不再完整、連續，因此4#FSS平板在諧振頻率16 GHz時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屏對稱性的影響

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

圖11 上下FSS屏周期結構對稱方式Fig.11 The splice of symmetrical FSS

圖12 上下FSS屏周期結構不對稱方式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試結果對比如圖13、圖14所示。由圖13和圖14可以看出，0°入射角時，5#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.2 dB，6#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.5 dB，通帶損耗增大0.3 dB。60°入射角時，，5#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz 時損耗為-1.7 dB，6#FSS 平板在中心諧振頻率16 GHz時損耗為-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 屏周期單元對稱，6#FSS平板上下兩層FSS屏周期單元不對稱，結果表明多層FSS屏不對稱將導致通帶損耗增大。

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 結論

（1）對于圓環型FSS 單元特征，FSS 屏拼接縫數量的增加，導致受影響的邊緣周期單元數量增加，使單元電流分布偏離諧振頻率基準電流，從而使通帶損耗增加，因此成型過程中應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，FSS 屏單元結構周期性被破壞會導致通帶損耗增大，通帶透波率降低，因此在FSS 屏拼接成型中應盡量使拼接處的周期單元對齊，保持周期單元連續一致。

（3）對于圓環型FSS 單元特征，多層FSS 屏之間存在較強的電流耦合現象，影響諧振電流，從而影響通帶損耗，多層之間周期單元結構不對稱，層間耦合作用較弱，諧振電流較弱，通帶損耗高，因此成型過程中應采用工藝手段保證各層FSS 屏周期單元上下位置對齊。