夾層結構天線罩電性能優化設計

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的環境下能正常工作的功能結構，它是由天然或人造電介質材料制成的覆蓋物，或是由桁架支撐的電介質殼體構成的特殊形狀的電磁窗口[1-2]。工程上應用較多的是多層夾心結構，中間芯層密度低，外層蒙皮層屬于致密層，這樣的結構不僅能夠提供足夠的力學性能，同時其寬頻透波性能還非常優越。通過設計合理的芯層和表面厚度，使天線罩在天線整個掃描角范圍內具有優良的傳輸透波性能[3-6]。本文針對C夾層天線罩結構，采用幾何光學射線追蹤法理論，研究通過天線罩罩壁變厚度結構設計來提高天線各掃描角度范圍內天線罩透波性能。

1 理論分析

幾何光學三維射線追蹤法用的是標量克希霍夫衍射公式，它對大天線來說，線積分項可以忽略，所以計算結果將是比較精確的，特別是當天線面積大于75倍波長平方時，計算結果令人滿意。綜合考慮空氣動力學及寬頻透波性能要求，本文選擇具有良好氣動外形的C夾層正切卵形天線罩結構作為整體結構天線罩的分析對象。天線罩[7-8]的外形為旋轉對稱的正切卵形，其對應的函數寫成如下形式：

上式中：R為生成圓弧的曲率半徑；W為基礎圓直徑。

天線罩平板的透射系數采用傳輸矩陣法求出傳輸系數T與反射系數R：

電磁波入射到天線罩引起的共極化場透射系數和交叉極化場透射系數：

式（5）（6）中：TCO和TCR是天線罩的共極化和交叉極化透射系數；T∥和T⊥分別是入射場水平極化分量和垂直極化分量的透射系數；φM是電磁射線與天線罩入射點M的極化角。

在罩外等效口徑上，將標量積分公式轉化成離散求和的形式，口徑上場分布為：

式（7）中：mn表示天線口徑的離散化序數。

天線-天線罩系統遠場輻射表達式如下。

未帶罩輻射方向圖：

帶罩共極化輻射方向圖計算式：

帶罩交叉極化輻射方向圖計算式：

2 結構優化

設定天線罩的長細比為2∶1，其中，長度L＝1 m，底部直徑W＝0.5 m；天線為圓口徑，天線半徑a＝0.2 m；天線離天線罩底部距離L3＝0.3 m；天線工作頻率為10 GHz。為減小計算量，簡化計算過程，定義圓口天線電場極化方位指向天線坐標系的y方向，幅值大小恒定為1.對于均勻分布的圓口徑天線，當水平位移角Ф＝0°時，其遠區方向圖為：

常規C夾層結構天線罩為等壁厚結構形式，材料選用常規CFRP材料。奇數蒙皮層的復介電常數為3.4－0.013 6j，厚度0.75 mm；偶數層的復介電常數為1.05－0.002 1j，夾層結構總厚度為6 mm。圖1計算了該正切卵形等厚度C夾層結構天線罩的傳輸效率隨天線在罩內掃描角變化的計算結果，功率傳輸效率在57%～92%之間。從整個曲線來看，天線罩的功率傳輸效率隨角度的增加逐步升高，且隨著角度的變大，該曲線的變化趨勢越來越小。

圖1 常規天線罩各掃描角對應的透波率

對天線罩進行優化，首先需要知道各個天線掃描角對應的平均入射角大小，考慮到天線的輻射場為等幅同相，對應的平均入射角大小即為所有天線輻射線對應的入射角的平均值。圖2計算了該尺寸正切卵形天線罩掃描角對應的平均入射角，入射角隨天線掃描角的增大而遞減。在零度掃描的情況下，平均入射角達到72°，這對電磁波透波性能影響非常大，隨著掃描角的增大，罩體的平均入射角降低到22°，此時系統具有良好的傳輸性。這一結果與圖1天線罩透隨掃描角變化的功率傳輸系數曲線相對應。天線輻射場對應的入射角是無法改變的，本文通過在不同入射角情況下改變天線壁罩的厚度來實現各個掃描角都達到高透射率的要求，考慮到工藝的易實現性，該優化C夾層結構的奇數層厚度恒定為0.75 mm，偶數芯層的厚度則發生細微變化，隨ZR軸的坐標位置對應的厚度變化d如下所示：

圖2 天線掃描角對應的平均入射角分布

圖3計算了該優化結構天線罩各天線掃描角對應的透波性能，該結構相對于非優化常規結構天線罩的功率透過性能有了顯著的提升，最小功率透過系數由原來的56%增加到了81%，這將大大提升雷達系統的探測能力。

圖3 變厚度天線罩天線各掃描角對應的透波率

3 結論

經論述，得出以下結論：①通過對C夾層結構天線罩采用變厚度優化設計，天線罩的整體透波性能得到大幅提升，最小透波率從57%提升至81%；②本文中的優化方法適用于大部分飛機天線罩設計，為天線罩的高透波性能優化設計提供了參考依據。

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