天線方向圖的天線罩賦形補償

李維山 陳琴

【摘 要】針對天線罩對天線輻射電磁波的不均勻插入相位延遲使天線方向圖發生了畸變，導致接收系統信號失真，在畸變方向上探測器靈敏度降低的問題，本文提出了天線罩賦形的方法，該方法通過修正天線罩內腔使通過天線罩的電磁波相位超前或滯后，結合天線罩的透射系數相位分布，使兩者的相位差抵消，達到天線方向圖的補償，仿真和測試表明該方法有效的解決了天線方向圖畸變導致的接收系統靈敏度降低的問題。

【關鍵詞】天線方向圖;賦形;天線罩

0 引言

天線罩是安裝在彈體頭部天線外的單層錐形保護罩，彈體飛行過程中處于高速加載、加熱以及各種沙塵沖擊等嚴峻環境中，天線裸露在外將會影響其正常性能，天線罩的使用雖然保護了天線，但天線罩對天線輻射電磁波的不均勻插入相位延遲，使天線方向圖發生了畸變，探測器接收系統在畸變方向上靈敏度降低，探測系統要求天線罩保證天線發射和接收通過天線罩的電磁波信號不失真或畸變很小，從而保證探測誤差在允許的范圍內。為解決天線罩引起的天線方向圖畸變的問題，文獻[1-3]對天線罩的電磁特性進行了分析、仿真，如何補償沒有給出方案，文獻[4]提出在制造過程中對天線罩壁的電厚度進行測量，根據測量結果再進行電性能補償，這種方法周期長，工程實現性差，文獻[5]通過調整饋源的軸向偏焦補償，對反射面天線補償效果明顯而對彈載天線指導意義不大。本文提出了一種天線罩賦形的補償方法，以滿足探測系統要求。

1 天線罩電磁特性

要對天線罩的電性能進行補償，就要先知道天線罩的電磁特性，目前對天線罩的電磁特型分析有高頻方法和低頻方法，高頻方法有射線追蹤法、口徑積分—表面積分法、復射線法和全波分析法，低頻方法有有限元法和矩量法。低頻方法考慮了耦合效應，計算精度高，故本文采用矩量法進行電磁分析。

矩量法先應用口面積分計算天線罩內表面的電場值和磁場值作為矩量法分析的激勵，根據回轉體結構模型，將天線罩內表面的激勵場作模式分解，建立積分方程組，求解得到天線罩表面等效電磁流，由等效電磁流求得遠區輻射場。

圖1 天線罩結構圖

圖2 電磁波的反射與折射

采用直角坐標系（x，y，z）描述天線罩的外形方程為：

x2■+y2■=（a/L）■（L-z）■（1）

由圖1所示天線罩是一個圍繞z軸旋轉對稱體，是具有一定厚度的曲面，可以采用三角形平板來離散模擬。

天線罩的傳輸特性如圖2所示電磁波由自由空間入射到介質時，由于界面的不連續性，電磁波首先在界面上發生反射和折射，形成反射波和透射波，透射波由介質進入自由空間又發生反射和折射，進入介質的透射波分成兩部分，一部分穿過介質進入自由空間形成透射波，另一部分在介質兩界面上來回反射和折射，不斷形成反射波和透射波，直至衰減為零。介質引起的反射是多次反射的疊加，總透射也是多次投射的疊加，電磁波在通過介質時產生了相位變化。

設天線罩的相對介電常數為ε，天線罩厚度為h，電磁波的入射角為θ，電磁波在空氣中的波長為λ0，電磁波的相移量：

天線罩導致的相位變化與材料厚度、物性參數和入射角有關，當天線罩結構材料確定后相位分布只于入射角有關，雖然天線罩結構復雜，難以寫出相位與材料物性的顯性表達式，但相位的分布應該隨入射角變化規律是非常明顯的，如果電磁波以相同的入射角照射到一定厚度的介質板上其相位變化是相同的，仍是一等相位面，而天線罩的結構是錐形的，各點入射角不同，中心最大，向邊緣逐漸減少，直至為零，又開始逐漸變大，入射角的減少可以看作材料厚度的減少，因此透過天線罩的相位差的分布是中心處最高，向四周逐漸增加直至零度，又開始變大，到達邊緣大至半錐角。

2 天線罩賦形

如果想要減少天線罩的影響，主要是減少其相位分布的差異，其相位分布主要由天線罩材料的介電常數、損耗角正切、形狀、厚度等決定，天線罩材料選定以后其介電常數和損耗角正切是一定的，天線罩的外形結構是為了滿足彈體的空氣動力學要求，現在只能通過改變天線罩內腔體的形狀和厚度對天線罩的電性能進行補償，天線賦形就是通過借助天線罩反射面產生特定方向圖的反射面天線，就是通過對天線罩賦形使通過天線罩的電磁波形成一等相位面。

基于天線罩的回轉體模型，運用矩量法建立電小尺寸的分析方法，利用回轉體的特點采用適當的基函數將三維問題轉化為二維問題，以降低計算量提高計算效率，給出天線方向圖波束情況，確定天線罩上對應的物理位置，相應位置的電磁波入射角，修正天線罩內腔的形狀，內腔形狀的改變會導致該位置的透射波相位超前或滯后，如圖3所示，由幾何關系知，引起的相位變化為：

式中ε為天線罩的相對介電常數，θ是電磁波的入射角， 是電磁波在介質中的波長

圖3 電磁波修正相位變化

根據天線罩透射系數如公式（2）所示的相位分布，使兩者的相位偏差正好抵消，即實現了天線罩的電性能補償，天線罩賦形結構如圖5所示。

圖4 無賦型天線罩結構 ? ? ? ? ? ? 圖5 賦形天線罩結構

3 仿真及驗證

3.1 仿真

利用上述方法，進行仿真，天線罩外形為圓錐形，結構如圖4、5所示。天線罩內的天線為23GHz波導口天線，天線罩厚度8.2mm，材料為聚四氟乙烯，介電常數取ε=2.5，分別計算23GHz頻點的無天線罩的理想天線、有天線罩無賦形、有天線罩有賦形的天線遠場方向圖，得出仿真結果如圖6至圖11所示。

由仿真圖可知，在正10度方向上，加天線罩存在一個較大的凹陷，在E面上下降了2.95dB，在H面上下降了2.91dB，利用公式（3）和（4）進行天線罩賦形，賦形后凹陷點上升，天線方向圖失真變小，在E面上下降了1.03dB，在H面上下降了0.23dB，仿真表明利用天線罩賦形能有效的消除天線波束畸變，滿足探測系統要求。

圖6 無天線罩的理想天線E面

圖7 無天線罩的理想天線H面

圖8 有天線罩無賦形天線E面

圖9 有天線罩無賦形天線H面

圖10 有天線罩有賦形的天線E面

圖11 有天線罩有賦形的天線H面

3.2 驗證試驗

對賦形天線罩連接探測系統在實驗室進行拉距試驗，利用16cm和24cm角反射體模擬目標特性，探測系統輻射電磁波照射到固定位置的模擬目標，模擬目標反射信號被接收天線接收，經探測系統的信號處理器處理，提取目標特性，檢測探測器輸出目標信號幅度，幅度大小正比于回波信號能量大小。

分別對無天線罩、賦形天線罩、無賦形天線罩進行了拉距試驗，試驗結果見表，由表1可以看出賦形天線罩補償效果明顯，在100上的測試結果賦形天線罩要比無賦形天線罩大2.7dB左右。

4 結論

本文提出了天線罩賦形的方法對天線方向圖進行修正。通過對天線罩的內反射面進行賦形，使經過天線罩的電磁波相位超前或滯后，抵消天線罩透射電磁波的相位影響。仿真表明天線罩賦形有效的解決了天線方向圖畸變的問題，通過實驗室拉距試驗證明天線罩賦形能夠解決天線方向圖畸變方向上探測靈敏度降低的問題。

【參考文獻】

[1]杜耀惟.天線罩電信設計方法[M].北京：國防工業出版社，1993.

[2]宋大為.帶罩天線電磁特性的分析技術研究[D]，西北工業大學.

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[4]楊鮮鋒.高頻段毫米波天線罩的研制[J].纖維復合材料，2009，9：7-10.

[5]楊紹華，張福順，焦永昌.天線罩電磁特性的仿真分析[J].西安電子科技大學學報，2004，31（6）：873-876.

[6]張生芳，郭東明，等.天線罩制造中的電厚度測量技術[J].儀器儀表學報，2004，8：34-37.

[責任編輯：張濤]