某型飛機天線罩雙波段寬頻結構設計

曾安民

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300；中航工業復合材料技術中心，北京 101300）

天線罩是保護飛行器導引頭天線在惡劣環境中能正常工作的功能結構，其性能直接影響飛行器雷達技戰術指標要求[1-2]。Mackenzie等設計了一種A夾層對稱雙波段天線罩罩體結構。該天線罩最外層為抗雨蝕涂層，芯層為抗高溫塑料泡沫材料（比如PMA、PVC等），次外層則為石英纖維增強環氧樹脂。該結構的芯層為塑料泡沫材料，所以，其介電性能近似于自由空間。利用半波長理論，其外層蒙皮厚度在94 GHz滿足這一要求，即蒙皮厚度為0.8 mm，設計其外層蒙皮厚度為0.8 mm，由半波長理論可知，此時電磁波可以無損耗地透過該媒質層。同時，該厚度也為9.4 GHz電磁波波長的1/20，滿足介質薄壁理論，能夠在該頻段提供良好的傳輸性能。因此，該結構能同時滿足W波段和X波段共同使用要求，并已經用于Boeing727/737/747中。試驗測試表明，對于X波段的氣象雷達，掃描角在0°～90°范圍內，天線罩的功率透過系數‖T‖2≥88%；而對于W頻段的成像雷達，衰減則處于1.4～3.5 dB之間[3]。本文針對雙波段透波特點，著重研究了天線罩罩壁結構類型和厚度變化對寬頻帶透波性能的影響，以實現罩壁結構的雙波段寬頻設計。

1 理論分析

平面波介質平板的傳輸和反射取決于介質平板的厚度、層數、介電常數和損耗角正切，并與平面波的入射角、極化狀態有關。為了方便計算，本文采用物理概念明晰的邊界值矩陣傳輸法來分析多層介質平板的傳輸和反射特性，具體表現形式如下[4-5]：

2 結構優化

為降低問題的復雜度，我們只考慮在垂直入射的情況下選用經典夾層結構形式，奇數層和偶數層均選用常規CFRP材料，奇數層的復介電常數為3.4-0.0136j，偶數層的復介電常數為1.05-0.0021j，優化的最小傳輸功率性能大于80%.

夾層結構層數的增加能夠提高整體結構的寬頻透波性和力學性能。但隨著結構總層數的增加，高介電層層厚度也會增加，必定會降低結構的總體透波性能，所以，層數的選擇是一個復雜的問題，需要綜合考慮寬頻性能和透波性能。

圖1計算了3，5，7層結構在1～100 GHz范圍內對應的透波性能，只有當n＝5時，才能兼顧寬頻透波和足夠高的透波系數的特點，使其既能夠擁有最大通頻段，又具有滿足最小功率透過系數為80%的要求。

考慮到總體結構需要一定的承載性能要求，所以，該結構的總厚度設定必須大于6 mm。圖2列出了結構總厚度從6 mm到10 mm的變化，結構在1～100 GHz范圍內的功率透波性能。從圖2中可以很清晰地看出，該結構在總厚度為6 mm時具有最寬的寬頻帶透波性能。

對于典型的C夾層結構設計，中間層的電納通常為外層電納的2倍?？紤]到電磁波傳輸中存在的入射波和反射波抵消的現象，其芯層厚度常選為電磁波在該材料中傳輸的1/4波長。我們對4種不同C夾層結構電磁傳輸性能進行對比，其模型如圖3所示。（a）結構即為本文中的優化結構尺寸，（b）結構的奇數中間層的厚度為（a）結構中間層厚度的2倍，（c）結構奇數層厚度一致，但是，中間芯層的厚度為1/4波長，（d）結構則是（b）結構和（c）結構特征的集合體，其中間層厚度為蒙皮厚度的2倍，同時，中間芯層的厚度滿足傳輸電磁波的1/4波長。圖4為4種結構在1～100 GHz范圍內的透波率性能，比較可知，文中優化的結構性能在滿足功率透過系數大于80%的前提下，其寬頻度最優，且具備極佳的傳輸透波率。

3 結論

通過對天線罩罩壁類型、厚度和層數的優化，在1～100 GHz范圍內，雙波段寬頻性能提升了23%.文中的優化方法適用于大部分飛機雙波段寬頻設計，為天線罩的雙波段寬頻設計提供了參考依據。

［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］李義，葉宏軍，翟全勝.縱橫加筋碳纖維復合材料壁板整體成型技術研究［J］.科技與創新，2018（4）：46-48.

［3］Mackenzie S B，Stressing D W.W-band and X-band radome wall：US，6028565［P］.2000-02-22.

［4］Collin R E，Chang H.Field theory of guided waves［M］.New York：McGraw-Hill，1961.

［5］Orfanidis S J.Electromagnetic waves and antennas［D］.NJ：Rutgers University，2009.