一种低散射特征雷达红外复合天线罩系统的制作方法

1.本发明属于低散射天线罩技术领域，具体涉及一种低散射特征雷达红外复合天线罩系统。


背景技术：

2.雷达红外复合天线罩，首先要兼顾雷达与红外两个工作波段的高透波性能，满足使用需求；其次，在工作波段之外，则要求具有屏蔽特性，并借助外形将敌方探测信号反射到非威胁角域，以提高飞行器突防能力。
3.天线罩常用的rcs减缩措施是频率选择表面(fss)技术，即在天线罩内表面、外表面或夹层中设计带通滤波特性的fss，实现带内透波、带外反射，并借助天线罩外形将威胁波偏折到非威胁角域，实现前向rcs减缩。
4.目前，雷达/红外复合天线罩rcs减缩技术的研究主要集中在光学窗口的低 rcs设计上，如：专利“高性能雷达/红外双波段带通频率选择表面”(申请号： 201310385578.9)和“雷达/红外双波段带通频率选择表面”(申请号： 201310385579.3)仅对在mgf2窗口上设计具有红外透明、雷达带内透过、带外屏蔽特性的金属网栅频率选择表面(fss)进行了说明，由于上述方案未考虑安装机构的影响，因此在具体应用时，材料、结构、厚度上的不连续，势必会造成电磁波传输性能的不一致，使雷达天线方向图发生畸变、副瓣电平抬高、瞄准误差激增、前向rcs增大，给雷达红外复合天线罩的应用带来重大困难，其综合性能受到很大制约。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种低散射特征雷达红外复合天线罩系统，提高雷达红外复合天线罩透波和rcs减缩性能，克服天线罩因材料、结构、厚度不连续带来的透波困难和散射回波增强问题。
6.本发明的具体技术方案如下：
7.一种低散射特征雷达红外复合天线罩系统，所述的天线罩由复合材料罩体、光学窗口、复合材料垫片、复合材料螺栓组成，并通过复合材料螺栓将光学窗口固定在复合材料罩体和复合材料垫片之间，且外表面保持平齐；所述的复合材料罩体含有fss层，所述的光学窗口外表面镀制有金属网栅fss；所述的复合材料罩体在雷达工作波段其介电常数与光学窗口材料介电常数相同或相近；复合材料垫片、复合材料螺栓和复合材料罩体三者介电常数相同或者为同一种材料；所述的复合材料罩体在雷达工作波段电厚度与光学窗口电厚度相差雷达工作频点半波长的整数倍。
8.优选地，所述的复合材料罩体fss与光学窗口金属网栅fss具有相同的形状，并采用相同类型导电材料制备而成。
9.优选地，所述的光学窗口在镀制金属网栅fss时，在fss边缘制备一圈宽度为0.1～5mm的金属电极，以确保整个天线罩的电连续性，增加金属网栅fss 的屏蔽效果，降低rcs。
10.优选地，所述的光学窗口材料为氟化镁，介电常数4～5，所述的复合材料罩体为玻璃钢材料，介电常数4～5。
11.优选地，当光学窗口电厚度为雷达工作频点半波长的n倍时，n取整数，复合材料罩体电厚度同样设计为雷达工作频点半波长的n倍。
12.优选地，所述的光学窗口安装接口结构，具有如下技术特征：
13.接口部位光学窗口厚度渐变，其变化规律如下：在光学窗口边缘位置，其厚度从窗口中部的厚度d1尺寸沿窗口平面方向减薄到边缘最小厚度d4，要求在边缘部位窗口材料表面与窗口中部垂直；在厚度d1与厚度d4之间构成了光学窗口的尺寸边缘，在垂直该边缘的剖面上，该边缘包含宽度为l1的外表面过渡线和宽度为l2的内表面过渡线；其中，宽度l1的外表面过渡线与罩体外表面夹角a为100度～160度，l2内表面过渡线与罩体内壁的夹角b为110度～180 度，l2部分的最大宽度不超过罩体壁厚的3倍；
14.罩体材料最大厚度等于d2，d2与d1之间的厚度差为d6，且d2》d1，d6《3mm，要求罩体上厚度差d6部分形成的台阶保留在内侧表面，且厚度d6的区域宽度 l4为0～10mm；接口位置复合材料罩体在l2、l4和d4长度所在边上与光学罩体紧密配合；要求复合材料罩体与光学头罩在外表面保持平齐；同时，在复合材料罩体接口部位，下陷与l1外表面过渡线不等厚度的空间用于复合材料垫片的安装；复合材料垫片与光学窗口在外表面过渡线l1区域紧密接触，且其外侧表面与光学窗口和复合材料罩体平齐，垫片宽度为l3》15mm；
15.在垫片上l3尺寸的中部开有螺纹孔，在螺纹孔处安装有复合材料螺栓。
16.优选地，所述的光学窗口安装接口结构：
17.接口部位光学窗口厚度渐变，其变化规律如下：在光学窗口边缘位置，其厚度从窗口中部的厚度d1尺寸沿窗口平面方向减薄到边缘最小厚度d4，要求在边缘部位窗口材料表面与窗口中部垂直；在厚度d1与厚度d4之间构成了光学窗口的尺寸边缘，在垂直该边缘的剖面上，该边缘包含宽度为l1的外表面过渡线和宽度为l2的内表面过渡线；其中，宽度l1的外表面过渡线与罩体外表面夹角a为100度～160度，l2内表面过渡线与罩体内壁的夹角b为110度～180 度，l2部分的最大宽度不超过罩体壁厚的3倍；
18.罩体材料最大厚度等于d2，d2与d1之间的厚度差为d6，且d2》d1，d6《3mm，要求罩体上厚度差d6部分形成的台阶保留在内侧表面，且厚度d6的区域宽度 l4为0～10mm；复合材料垫片安装于复合材料罩体内表面；要求接口位置复合材料罩体在l1和d4长度所在边上与光学窗口紧密配合，在复合材料罩体内表面下陷与l2内表面过渡线及d6部分不等厚度的空间用于复合材料垫片的安装；复合材料垫片包含d6所在部分，与光学窗口在内表面过渡线区域及d6部分紧密接触，垫片宽度为l3 l4，其中l3》15mm。
19.在垫片上l3尺寸的中部开有螺纹孔，在螺纹孔处安装有复合材料螺栓，通过复合材料螺栓使接口部位光学窗口、复合材料罩体、复合材料垫片连接为一体。
20.工作原理：
21.雷达红外复合天线罩为同时满足雷达及红外系统工作要求，需要飞行器上开启同时满足透雷达波、且透红外光的窗口，起主要材料一般选择氟化镁、硫化锌等，同时，为兼顾己方雷达工作波段正常透波和降低敌方探测雷达回波，常规的方法是在复合材料罩体上应用fss频率选择表面、在光学窗口上应用金属网栅fss。
22.常规的技术方案的弱点在于，安装接口一般含有金属边框、垫片、螺栓，属于强散
射结构，在采取技术措施后，其雷达回波仍然较强，且此时的雷达回波主要由接口产生；因此，必须对光学窗口和头罩作为系统，进行一体化设计，才能控制上述工作波段带外雷达回波并兼容工作波段雷达透波。
23.1.在复合材料罩体部分，采用fss结构，实现带通滤波特性，自身工作频段内，允许电磁波通过,使天线系统正常工作，工作频段外,具有全反射特性,利用罩体流线型外形将敌方探测波规避到非威胁方向。
24.2.在雷达/红外共口径窗口，采用金属网栅fss设计，实现红外透明、雷达波段带外屏蔽、带内传输。以图2所示金属网栅fss单元结构为例，具有亚毫米尺度周期及微米量级线宽的金属网栅结构在雷达波段反射电磁波呈现电磁屏蔽特性，在红外光和可见光波段透射电磁波透射呈现透光特性。因此，采用金属网栅结构，可以在高效透过红外光的同时高效屏蔽雷达波；而将fss技术转移到金属网栅设计中，可以在不影响红外透明特性的同时实现雷达波段带内传输、带外屏蔽的效果。
25.3.对fss与金属网栅fss进行一体化设计，选择同种类型的fss图案，以保证整个头罩具有相似的谐振滤波特性、极化特性。
26.4.复合材料罩体(含fss)、雷达/红外共口径窗口(含金属网栅fss)、窗口安装接口进行材料、结构、厚度等一体化设计，以尽可能降低材料、结构不连续造成的不良影响。
27.本发明的有益效果：
28.本发明提出一种低散射特征雷达红外复合天线罩系统，通过一体化设计复合材料罩体(含fss)、光学窗口(含金属网栅fss)、光学窗口安装接口，解决雷达带内传输、带外屏蔽效果和红外工作波段透波特性，克服天线罩在材料、结构、厚度不连续带来的透波困难和散射回波增强难题。
附图说明
29.本发明有2幅附图。
30.图1是雷达红外复合天线罩示意图；
31.图2是雷达红外光学窗口安装接口示意图。
32.1复合材料罩体(含fss)；2光学窗口(含金属网栅fss)；3光学窗口安装接口；4光学窗口部分(含金属网栅fss)。5罩体复材部分(含fss)；6复合材料垫片；7螺栓；
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
34.实施例1：
35.光学窗口材料选用介电常数为5.0的材料，厚度d1为8mm；罩体、垫片和连接螺栓所用介电常数为4.3的复合材料，罩体最大厚度d2为8.6mm。
36.外过渡区宽度l1为5mm，内表面过区宽度l2为10mm，光学窗口边缘最小厚度d4＝2.6mm。在雷达工作频率点，厚度8mm的光学窗口与厚度8.6mm的复合材料均为雷达工作波段半波长的2倍。在光学窗口和罩体外表面均采用金镀制相同图案的fss，可以实现较好红外透波、工作雷达波波段之内透波和工作雷达波波段之外的屏蔽效果。
37.实施例2：
38.光学窗口材料选用为介电常数为4.5的材料，厚度d1为13mm；罩体、垫片和连接螺栓选用介电常数为4.2的复合材料，罩体材料最大厚度d2为13.5mm。外过渡区宽度l1为8mm，内表面过区宽度l2为15mm，且l2尺寸方向与光学窗口内表面平齐。光学窗口最小厚度d4＝5mm。在雷达工作波段，厚度13mm 的光学窗口与厚度13.5mm的复合材料均为工作波段半波长的3倍。在光学窗口和罩体外表面均采用金镀制相同图案的fss，可以实现较好红外透波和工作雷达波波段之外的屏蔽效果。
39.实施例3：
40.光学窗口材料选取介电常数为5.0的材料，厚度d1为8mm；罩体、垫片和连接螺栓选用介电常数为4.3的复合材料，罩体最大厚度d2为8.6mm。外表面过渡线l1与光学窗口材料外侧表面夹角为100度，内表面过渡线与光学窗口材料内侧表面夹角为110度，光学窗口最小厚度d4＝2.6mm。在光学窗口和罩体外表面均采用金镀制相同图案的fss,可以实现较好红外透波和工作雷达波波段之外的屏蔽效果。
41.实施例4：
42.光学窗口材料选用为介电常数为4.5的材料，厚度d1为13mm；罩体、垫片和连接螺栓选用介电常数为4.2的复合材料，罩体材料最大厚度d2为13.5mm。外表面过渡线l1与光学窗口外侧表面夹角为160度，内表面过区宽度l2为 15mm，且l2尺寸方向与光学窗口内表面平齐。光学窗口最小厚度d4＝5mm。在光学窗口和罩体外表面均采用金镀制相同图案的fss，可以实现较好红外透波和工作雷达波波段之外的屏蔽效果。