目录VI 环形脱层问题67 本章小结68 第六章 71参考文献 72 攻读研究生

　　目录VI 环形脱层问题67 本章小结68 第六章 71参考文献 72 攻读研究生期间取得的 76 第一章 绪论 研究背景及国内外研究现状随着世界范围内军事科技的发展 飞行器电磁隐身技术已经愈来愈受到人们的重视 成为世界军事现代化的重要技术之一。在军事航空领域 如何研制出具有电磁隐身功能的高性

　　目录VI 环形脱层问题67 本章小结68 第六章 71参考文献 72 攻读研究生期间取得的 76 第一章 绪论 研究背景及国内外研究现状随着世界范围内军事科技的发展 飞行器电磁隐身技术已经愈来愈受到人们的重视 成为世界军事现代化的重要技术之一。在军事航空领域 如何研制出具有电磁隐身功能的高性能飞行器已经成为争相发展的关键技术。近年来 随着中国神州飞船系列工程、嫦娥探月工程等探索太空活动的兴起 大大促进了学科之间的交叉与融合 如何降低天线系统的有效负荷 提线的利用率从而降低成本和发射风险 已经俨然成为航空领域关键技术之一。随着4G时代的到来 民用无线通讯迅猛发展 信号干扰日益严重 频谱资源日益紧张 如何实现频率复用并解决各个通讯系统之间的电磁干扰等问题已经成为民用无线通讯事业发展的瓶颈。频率选择表面 FSS 由于具有让电磁波选择性通过的功能 使其能大幅降低飞行器天线系统的雷达散射截面 RCS 从而实现隐身 故早在20世纪六十年代便已成为军事研究热点之一 。另一方面随着对频率选择表面研究的深入 在其他领域诸如无线通讯领域的应用也取得了长足发展。 频率选择表面及其基本应用频率选择表面 Frequency Selective Suce FSS 是具有特定形状的金属贴片或者金属缝隙采用二维周期性排列所组成的无限大平面 具有对通过平面的电磁波进行滤波的功能 相当于一个空间滤波器。FSS是典型的谐振结构 在其谐振频率附近 电磁波可以实现全透射或全反射 从而控制穿过平面的电磁波的传输特性。如果飞行器雷达天线罩采用FSS设计 在其工作频段内电磁波可以毫无阻碍的传输 不干扰雷达系统的正常工作 而在其工作频段外则表现为全反射以达到降低雷达散射截面实现电磁隐身的目的 同时也能避免带外信号对雷达系统的影响。频率选择表面的应用领域很广泛 如天线罩、滤波器设计、人工电磁材料、多频反射面天线等等 。从图中可以看出当带内电磁波入射到天线罩时 电磁波可以任意穿过天线罩 天线可以顺利完成信号的接收与发射 当带外电磁波入射到天线罩表面时 雷达罩则反射掉电磁波信号 从而降低天线的雷达散射截面 实现隐身功能。此类天线罩的频率响应为带通滤波响应 主要应用在飞行器前端的天线罩上。 电子科技大学硕士学位论文 带通型FSS天线罩示意图及其频率响应特性此外 频率选择表面也可应用于舰船桅杆天线的隐身 与飞行器雷达天线罩不同的是 舰船桅杆天线罩通常采用带阻型FSS 天线罩传输特性为带阻滤波响应。并且 舰船雷达的工作频率一般不超过3GHz。 纵观世界在FSS隐身技术的应用研究 欧美发达国家普遍发展较早 取得了一系列世界领先的研究 且很多科研已经得到实际应用。如图1 2所示 美国的F 22、F 35战斗机便应用了含有FSS的雷达天线罩并结合尖锥气动隐身外形以达到隐身目的 美国喷气运输机C140的天线罩也应用了频率选择表面 法国拉斐特级战舰以及美国圣安东尼奥级运输船都采用了频率 美国F35战斗机 美国第一个频率选择表面雷达天线罩选择表面雷达天线罩。我国FSS在军事应用领域的发展则较为滞后。 第一章 绪论 反射面天线随着人类探索太空活动的进行 卫星、飞船等太空探测器距离地球越来越远 为了降低电磁波在地球和太空之间的传输损耗就需要使用高增益的反射面天线。如何提高反射面天线的利用率以降低成本并增加空间利用率成为一项重要技术。应用FSS的反射面天线可以实现多馈源、多频段同时工作 大大提高了反射面天线所示为典型频率选择反射面天线系统 卡塞格伦系统 为凸面卡塞格伦系统在反射面焦点处有两个馈源 频率分别为f1和f2 两个馈源之间为凸面频率选择表面 频率为f1的电磁波信号可以无障碍的穿过频率选择表面到达反射面并被反射出去 而频率为f2的电磁波信号则被频率选择表面完全反射 反射信号到达反射面后被反射出去 这样就实现了不同频率不同馈源利用同一个反射面发射信号的目的 有效节省了空间并降低了成本。 为平面卡塞格伦系统系统中FSS对馈源f1和f2分别表现为带通和带阻 类似的 可以实现馈源f1、f2共用一个反射面达到发射信号的目的。通常 由于凸面卡塞格伦天线系统能更长久的保持其凸面外形 因此凸面卡塞格伦系统性能更稳定。频率选择反射面天线年发射的CASSINI号土星探测器上便成功得到了应用 FSS的应用十分广泛涉及电磁领域诸多方面 如双工器、移相器等等 大力发展FSS技术是大势所趋。 电子科技大学硕士学位论文 FSS的发展以及国内外研究现状频率选择表面的概念最早要追溯到18世纪美国科学家D Rittenhouse对丝巾衍射灯光现象的研究 10 。1786年 Rittenhouse研究并通过实验观察到了白光透过栅格被分解成单色光的实验现象首次提出了频率选择表面的概念。到二十世纪初 Marconi等科学家开始研究金属线栅格对低频电磁波信号的衍射现象 二维金属栅格也演变成为频率选择表面并凭借其独特的频率响应特性开始受到世界科研人员的关注。直到上世纪六十年代 随着计算电磁学的兴起 频率选择表面的理论研究与设计方法都得到了长足发展 取得了一系列显著 并逐渐在国防领域得到应用。其后 随着电磁计算商业软件包的兴起 也大大促进了频率选择表面的分析和设计工作。 由于早期计算电磁学并不成熟 科学家只能通过繁杂的人工计算来分析频率选择表面 计算结果精确性得不到 最常用的分析手段为解析方法 如准静态场理论、等效电法、变分法、点匹配法等。1946年 Macrlance首次采用准静态场理论并结合Babinet理论分析解释了以为周期性带线及其互补结构的微波散射特性11 。上世纪八十年代 Parker研究小组采用等效电分析方法分析设计了诸多FSS结构并对不同种类FSS进行了深入广泛的研究 得到了相应的等效电 为FSS分析方法的发展做出了巨大贡献 12 16 。Kieburts等最早利用变分法分析计算了孔隙频率选择表面的电磁散射特性 17 随着计算电磁学的发展各种数值计算方法逐渐代替原有的解析方法 MoM、时域有限差分法 FDTD 、有限元法 FEM 等全波分析方法为频率选择表面的分析计算提供了更多可供选择的方案 大大促进了频率选择表面的发展。B Munk等人采用周期矩量法PMM 对FSS理论分析和设计方法研究做了大量工作 系统研究了不同单元形式的电磁散射特性 针对有限大周期频率选择表面和阵列天线做了相关研究 并出版了相关著作 18 21 进入二十一世纪以后随着电磁分析手段的日益发展 如何设计出具有特定滤波功能的FSS、具有高入射角度稳定性FSS以及具有可调功能的FSS成为世界的研究热点。K Sarabandi等人提出了一种天线 滤波器 天线结构频率选择表面 具有比较优异的滤波特性 同时利用非谐振单元设计出一种低剖面频率选择表面 该频率选择表面单元具有亚波长尺寸 大大降低了单元尺寸提高了滤波性能对入射角度的稳定性 22 Mias等人采用加载变容二极管的方式实现了FSS频率的可调 其工作频率可以随工作需要而改变 大大提升了FSS的应用前景 23 。我国东南大学的洪伟教授领导的研究小组采用基片集成波导研究设计了多种具有优异滤波性能同时具有低剖面的频率选择表面 丰富了FSS设计思 24 25 第一章绪论 现今国内外诸多科研院所均展开了频率选择表面的研究工作 主要的研究方向为新型的频率选择表面 如何设计出具有优异滤波性能、良好的入射角度和极化角度稳定性、低剖面等性能的FSS已经成为研究的重点 26 28 。由于频率选择表面具有出色的电磁响应特性 在很多领域都可以有很好的应用前景 因此具有深入广泛研究的价值。 雷达天线罩材料概述雷达天线罩是飞行器雷达天线的重要装置 起着透波、防热、防机械损伤等作用 雷达天线罩性能的好坏直接关系到天线系统能否正常工作。一方面 雷达天线罩要能天线系统免受恶劣的气候的影响 另一方面还要天线系统对信号的传输要求。对天线罩材料和工艺的研究已经成为国防领域的研究热点。一般情况下 天线罩材料须满足以下条件 29 优良的介电性能介电εr 01且介电性能在高温下不会产生明显变化 抗热冲击性能好高温下难烧蚀 难熔化 热膨胀系数小 飞行器在高温下仍能正常完成通讯、制导等任务 力学性能优异抗压、抗弯、抗拉强度高 抗雨蚀、抗沙蚀能力强 飞行器天线系统在恶劣下能正常工作 密度小能有效减少飞行器负荷 容易加工。以导弹雷达天线罩为例 现今导弹的飞行速度都在2Ma以上 最快甚至达到12Ma以上 如此高的飞行速度会导致导弹天线罩与空气摩擦产生大量热量而急剧升温 在导弹超高速飞行过程中 天线 以上。在如此高的温度下 不仅要求天线罩本身不能产生形变、开裂、熔化或者严重烧蚀 而且天线罩材料的介电性能变化也必须维持在可接受范围内 从而导弹天线系统的正常工作以达到作战目的。此外 由于导弹雷达系统需面对阴雨、风沙等恶劣 因此要求天线罩材料必须具备一定的抗雨蚀、沙蚀能力。 天线罩材料体系及发展概况早期的天线罩材料为有机聚合物及其纤维织物增强复合材料 随着航空航天技术的发展 诸多飞行器的飞行速度大幅提升 现今导弹的普遍速度更是达到2Ma电子科技大学硕士学位论文 以上由于有机聚合物在高温下会裂解 已经无法适应高速飞行带来的恶劣 有机聚合物材料已经被时代所淘汰。 如图1 4所示为天线罩材料的各大典型材料体系的各项参数 从图中可以看出 国内外天线罩材料主要有氧化铝、石英、氮化物、微晶玻璃等 30 31 。氧化铝 雷达天线罩材料体系各项参数陶瓷最早应用于天线罩材料 具有机械强度高、抗雨蚀能力优异的优点 但是氧化铝陶瓷介电性能较差 且随温度变化有较大的变化 因此其应用受到了。微晶玻璃材料机械强度高、耐热性好 介电性能比较优异 但其制备工艺复杂 成本较高且不易控制。氮化物陶瓷的介电性能优异 机械强度高 抗雨蚀能力优秀 且是目前分解温度最高的陶瓷天线罩材料 其中氮化硼陶瓷的分解温度更是达到了3000 是一种极具潜力的天线罩材料。石英陶瓷具有低的介电以及介电损耗 但是石英陶瓷的抗雨蚀能力差 机械强度低 常温下纯石英陶瓷的抗弯强度只有43MPa。 从分析可以看出 各大材料体系有着各自的优点 但不可避免的 都存在着各自的缺点 因此对天线罩材料增强改性成为提升材料性能弥补缺陷的重要研究课题。目前 针对天线罩材料的增强改性研究方向主要有 纤维增强陶瓷基复合材料、颗粒增强陶瓷基复合材料、叠层复合材料。其中 纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺分为无机体浸渍烧成法和有机体浸渍烧成法。美国Philco Ford公司和Generral Electric公司针对石英陶瓷机械强度低、抗热冲击能力第一章 绪论 差等缺点研制出了三维石英纤维增强二氧化硅陶瓷材料AS3DX 在常温下其介电εr 88介电损耗tanδ 841GHz成功运用于“三叉戟”导弹上 32 。Lockheed Martin公司的Dodds等人采用热压烧结工艺制备了SiAlON BN陶瓷 化学式为Si6 xAlxOxN8 67介电损耗tanδ 014435GHz 其断裂强度达到310MPa 33 。2000年 日本Tomoji Goto等人制成多空氮化硅材料 并在其多孔表面涂覆一层具有抗热能力的有机树脂以提升其力学性能 该材料介电εr 抗弯强度可达196MPa34 陶瓷天线年来 国家对陶瓷天线罩领域的研究做了大量工作 但是由于该行业高度的性 很多一直处于严格保密。就天线罩制备工艺而言 从 注凝成型工艺步骤国家公布的资料来看 国家的制备工艺水准已经远远走在了中国的前面。在20世纪八十年代 美国General Dynamics公司和美国橡树岭国家实验室改进注凝成型方法成功制备出Amraam和Standard导弹雷达天线 。注凝成型工艺的主要步骤见图1 5。美国Raytheon公司采用有机体聚合物浸渍裂解 PIP 工艺陶瓷粉末 预聚物单体 混合均匀 催化凝胶化 凝胶注模成型 排胶、烧结 成品 电子科技大学硕士学位论文 制备了石英陶瓷复合材料天线罩天线MPa 介电εr 0236 。PIP工艺首先用石英纤维织物浸渍树脂 然后将浸渍有树脂的石英纤维布放在蜂窝两端加热使树脂流动进入蜂窝 树脂在升温过程中逐渐分解最终形成多孔石英陶瓷天线罩 天线罩罩壁呈多孔状。其天线罩示意图和工艺流程如图1 6所示。 FSS天线罩研究现状频率选择表面天线罩相对与传统天线罩而言 不光起着承载、抗热冲击、天线系统免受恶劣的影响等作用 还对电磁波信号进行滤波以达到电磁隐身的目的。频率选择表面天线罩是解决雷达天线隐身问题的关键技术。 随着近年来复合材料表面金属化以及激光刻蚀技术的发展大大促进了FSS天线罩制备工艺的发展。国外FSS制备工艺很快从准数控机械加工发展过度到了数字仿真和数控加工一体化的阶段 FSS单元图形也实现了直接刻划 37 38 。美国的BASE公司以及的Applied Compsite公司均是国外FSS天线罩研制领域的佼佼者。我国在FSS天线罩制备领域有很大进步 但是和发达国家相比还有不小差距。国内流行的FSS制备方法主要有两种。第一种采用MEMS工艺 将天线罩划分为有限个平面FSS单元 并用镀膜刻蚀等方法将金属层加载到复合天线罩材料柔性膜上 此方法只适用于平板型天线罩 对于曲面天线罩加工精度有很大误差。第二种方法是采用数字化机械加工 吕明等人采用五度刻铣机器人曲面 石英纤维织物 树脂渗透 催化交联 热分解 烧结成品 选择性回收 第一章 绪论 机器人数字化加工示意图加工天线所示 该方法可以实现曲面天线罩的加工 且加工精度较高 缺点是加工系统的研制比较困难 成本较高。 总的说来 这两种方法均没有实现实际工程应用。纵观世界 发达国家在FSS天线罩领域的研究走在了世界的前列 从理论设计、制备工艺到实际应用均取得了相当可观的。FSS天线罩的理论研究和制备工艺是FSS天线罩发展的主要因素 要实现FSS天线罩的工程化应用还需对FSS天线罩理论和制备工艺做进一步的探索和研究。 陶瓷基FSS天线罩在实现天线罩滤波功能的同时具有良好的机械和热学性能 是超高速飞行器电磁隐身的关键技术之一 由于军事保密的原因 国内外并没有明确的关于陶瓷基FSS天线罩的相关报道。但由于陶瓷基FSS天线罩有着巨大的国防科研价值 在今后相关领域的研究中具有巨大的潜力。 本文的研究意义及内容雷达天线系统是飞行器雷达散射截面的主要来源之一 要实现飞行器的电磁隐身就必须降低其RCS FSS天线罩在不改变飞行器设计的情况下能有效降低飞行器RCS 为飞行器隐身问题提供了一个有效的解决方案。FSS天线罩不光起着承载、抗热冲击等天线系统免受恶劣的影响 还对电磁波进行滤波 实现飞行器的电磁隐身。发达国家在FSS天线罩领域的研究已经远远领先于我国 对FSS天线罩相关领域的研究已经迫在眉睫。 一种优秀的天线罩材料必须具有优良的介电性能、机械性能、抗热冲击能力 同时还要有低密度、易加工、抗雨蚀等特点。传统石英陶瓷具有低介电、低

　　陶瓷基频率选择表面设计与制备,陶瓷材料的制备,培养基的制备,频率选择表面,频率选择性表面,陶瓷表面处理,陶瓷基复合材料,陶瓷基片,蛋白基表面活性剂,乙酸乙酯的制备邻家小妹让我欲罢不能石家庄数据恢复http://1589521.shop.52bjw.cn，