王艷麗，趙小勇，龔仔華，康龍輝

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

天線罩是將天線與外界環(huán)境形成物理隔離，從而保護天線能在風(fēng)、雪、雨、冰雹等惡劣環(huán)境條件下正常工作的一種設(shè)施；它既是飛行器的一部分，又是雷達系統(tǒng)的一部分，集電磁透明性與結(jié)構(gòu)防護性為一體。某飛行器天線罩不僅需保護內(nèi)部天線系統(tǒng)、提供盡量透明的電磁窗口，還需滿足飛行器氣動與隱身的兼容性要求。

傳統(tǒng)介質(zhì)型天線罩可通過對其不同區(qū)域罩壁厚度進行優(yōu)化設(shè)計，使得其在某些應(yīng)用場景下滿足電性能工作要求。然而，該飛行器天線罩應(yīng)用場景為高頻，由于波長較短，天線罩壁厚度應(yīng)盡可能薄，才能使其獲得較高的透波率，但薄壁天線罩往往滿足不了結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求；另一方面，傳統(tǒng)純介質(zhì)型天線罩一般是在非透波工作區(qū)域加載吸波材料，但該方法不能實現(xiàn)該型天線罩高性能隱身功能的要求，因此相較于天線罩傳統(tǒng)隱身設(shè)計，通常的途徑還包括頻率選擇表面（FSS），即通過金屬結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對電磁波帶通或帶阻特性的調(diào)制來達到隱身性能要求。

該飛行器天線罩設(shè)計思路上采用了FSS設(shè)計方法，即天線帶通頻段（高頻）內(nèi)高透波、帶外頻段（隱身頻段）內(nèi)高截止。天線罩設(shè)計上相較頻率選擇表面（FSS）又有所不同，不同點一：天線工作（透波）區(qū)和非透波區(qū)均使用了超材料，且超材料按使用功能不同其微結(jié)構(gòu)采取了分區(qū)設(shè)計；不同點二：超材料設(shè)計結(jié)合了隱身元素，即非透波區(qū)采用鋸齒行波抑制超材料以降低飛行器雷達散射面積（RCS）。為實現(xiàn)較好的氣動外形和符合低RCS外形要求，該天線罩理論外形設(shè)計為尖錐狀，航向長度340mm，其外形示意圖見圖1，采用超材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計即可保證整個罩體面在帶外表現(xiàn)為強截止特性，又可滿足雷達波在帶內(nèi)的高透波率設(shè)計，保證了電信性能的設(shè)計要求。

圖1 天線罩外形示意圖

1 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于天線罩高頻透波、低頻寬帶截止的特性，利用超材料的諧振疊加特性，實現(xiàn)天線罩透波隱身功能。綜合考慮結(jié)構(gòu)、承載、環(huán)境適應(yīng)性及天線罩內(nèi)部安裝空間等要求，將該天線罩設(shè)計為主體基材與超材料頻率選擇表面相結(jié)合的層合結(jié)構(gòu)，即復(fù)合超材料頻率選擇表面天線罩，基礎(chǔ)厚度≤3mm。依據(jù)天線安裝位置及工作區(qū)域角度范圍要求，天線罩透波區(qū)域航向長度應(yīng)≥210mm；天線罩與天線艙對接框之間采用套接形式，在其尾部設(shè)置了30mm的套接區(qū)；天線罩透波區(qū)與尾部套接區(qū)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，針對天線罩的隱身設(shè)計要求，還需在透波區(qū)與尾部套接之間進行鋸齒設(shè)計，以抑制不連續(xù)截面上的電磁散射。具體分區(qū)示意圖見圖2。

圖2 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計分區(qū)示意圖

再者，為兼顧天線罩外形尺寸的約束，天線罩主體基材使用透波復(fù)合材料提供結(jié)構(gòu)強度承載功能，超材料功能層內(nèi)嵌于天線罩主體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的特定位置，形成層合結(jié)構(gòu)層/超材料功能層/層合結(jié)構(gòu)層的構(gòu)型形式，罩壁超材料微結(jié)構(gòu)構(gòu)型示意圖見圖3（a）；按仿真計算優(yōu)選結(jié)果，超材料微結(jié)構(gòu)典型單元設(shè)計為帶通型，微結(jié)構(gòu)單元示意圖見圖3（b）。

另外，針對透波區(qū)與非透波區(qū)（過渡區(qū)與連接區(qū)）的電磁不連續(xù)邊界進行了鋸齒化設(shè)計。按圖2天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計分區(qū)要求，在天線罩后部進行了鋸齒設(shè)計，該區(qū)域范圍決定了鋸齒設(shè)計的可用長度，同時也決定了鋸齒的性能。依據(jù)鋸齒設(shè)計原則：應(yīng)避免電磁波在整個考察角域范圍內(nèi)垂直鋸齒邊的情況發(fā)生；同時還應(yīng)遵守平行原則，以減少考察角域外電磁波反射峰的數(shù)量。因此，該天線罩鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，鋸齒長度105mm，底端距尾部距離為80mm，鋸齒尖端距尾部距離為130mm；鋸齒水平面投影角為86°，豎直面投影角為80°。

圖3 天線罩壁超材料微結(jié)構(gòu)示意圖

該型天線罩采用石英纖維結(jié)構(gòu)層/超材料功能層/石英纖維結(jié)構(gòu)層一體化設(shè)計，鋪層設(shè)計結(jié)果示意圖見圖5，天線罩外側(cè)為1.35mm厚度的石英纖維層壓結(jié)構(gòu)（外蒙皮1.17mm，單層厚度0.09mm，共13層；再加表面保護層0.09mm，0.1mm膠膜）；天線罩外側(cè)的次外層按鋸齒線劃分鋪覆功能材料作為功能層1，最外層為單層石英纖維層作為功能材料表面保護層；最中間以超材料層作為功能層2；內(nèi)側(cè)亦為1.35mm厚的石英纖維層壓結(jié)構(gòu) （共15層，單層厚度0.09mm），天線罩內(nèi)側(cè)尾端30mm寬區(qū)域為裝配區(qū)，進行局部增厚處理 （較內(nèi)蒙皮增加1層，共16層，1.44mm）；共固化前，內(nèi)外石英纖維層壓結(jié)構(gòu)與超材料結(jié)構(gòu)功能層之間均鋪覆了膠膜（0.1mm）以提高層間力學(xué)性能。

圖4 天線罩鋸齒結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 天線罩鋪層設(shè)計結(jié)果示意圖

2 天線罩成形工藝分析

為獲得較優(yōu)的氣動外形和保證隱身性能，天線罩外形尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，外形容差要求為±0.2mm，因此天線罩固化成形模具采用陰模工裝結(jié)構(gòu)。為保證超材料層的準確位置，在工裝上專門設(shè)置了鋪層定位線進行鋪層邊界定位。

天線罩用預(yù)浸料及功能超材料薄膜層的鋪貼順序按圖5鋪層設(shè)計結(jié)果示意圖進行，具體鋪貼順序如下：

1）先在陰模上鋪貼1層厚度0.09mm的表面保護層預(yù)浸料；

2）在表面保護層內(nèi)按鋸齒線劃分鋪覆行波抑制超材料以及銅網(wǎng)作為功能層1；

3）鋪貼外蒙皮剩余的13層預(yù)浸料；

4）鋪貼透波區(qū)超材料層及行波抑制超材料層作為功能層2；

5）鋪貼內(nèi)蒙皮13層預(yù)浸料；

6）在內(nèi)側(cè)蒙皮末端往尖頭方向30mm寬區(qū)域內(nèi)，增加1層預(yù)浸料鋪層。

天線罩鋪貼完成后，其中超材料薄膜作為天線罩的一個鋪層，其與主體基材石英纖維/氰酸脂一起共固化，固化工藝采用熱壓罐工藝。

3 結(jié)語

該復(fù)合超材料頻率選擇表面天線罩首次制作后進行了透波和隱身性能摸底測試，基本滿足預(yù)先設(shè)定目標。但因其截面為多面體復(fù)雜異形截面，頻選超材料微結(jié)構(gòu)層無法對天線罩外形進行一體式鋪貼，采取的層片搭接處理會破壞頻選層整個周期結(jié)構(gòu)的完整性，造成多處電磁不連續(xù)邊界，使得實際隱身性能測試結(jié)果劣于仿真計算結(jié)果；其次，天線罩頭部較尖，尖頭區(qū)域纖維含量偏高，天線罩實際透波率較計算值偏低。后續(xù)擬對超材料頻選功能層搭接方案及鋪貼方案進行優(yōu)化，并對尖部區(qū)域鋪層層片進行精細化設(shè)計及鋪貼仿真，以改善天線罩透波和隱身性能。