寬頻段機載天線罩設(shè)計與實驗研究

航空機載天線罩是集電磁傳輸與結(jié)構(gòu)防護為一體的功能性復合材料結(jié)構(gòu)，其需要維持氣動外形，承受氣動載荷，并滿足機載天線在工作頻段范圍內(nèi)的電磁傳輸要求，且具有良好的環(huán)境適應性。機載天線罩一般需要滿足空氣動力學、熱力學、力學、電磁學等多學科條件下復雜而相矛盾的要求，其性能與外形面形式、罩壁結(jié)構(gòu)形式及復合材料特性等密切相關(guān)。作為一個多學科綜合設(shè)計問題，天線罩設(shè)計流程和優(yōu)化方法是近年來的研究熱點。常規(guī)的天線罩設(shè)計研究多側(cè)重于開發(fā)各種方法或計算工具優(yōu)化天線罩電性能，Meng等結(jié)合射線跟蹤法與遺傳算法，通過調(diào)整天線罩壁厚優(yōu)化其瞄準誤差、功率傳輸系數(shù)等參數(shù)，Cheng等結(jié)合射線跟蹤-表面積分法與免疫克隆算法，對多種結(jié)構(gòu)形式的天線罩電性能指標開展了多目標優(yōu)化設(shè)計，但缺乏天線罩結(jié)構(gòu)強度、成型工藝制造等方面的進一步實際應用驗證。

機載天線罩技術(shù)要求與其安裝位置及內(nèi)部天線自身功能高度相關(guān)，不同天線罩在結(jié)構(gòu)強度、工作帶寬、功率傳輸系數(shù)、瞄準誤差、副瓣抬升等方面的要求截然不同。本文從實際應用角度出發(fā)，綜合考慮復合材料特性、電性能、結(jié)構(gòu)強度及環(huán)境適應性等特性，針對寬頻段高透波機載天線罩開展多學科綜合設(shè)計和試驗驗證，相關(guān)設(shè)計方法和結(jié)果可為后續(xù)機載天線罩設(shè)計與研制提供參考。

天線罩技術(shù)要求

天線罩外形及相對位置

寬頻機載天線罩位于飛機尾部，既作為機載天線保護裝置需要滿足飛機環(huán)境使用要求、剛度及強度要求，也作為天線電磁窗口需滿足系統(tǒng)電性能指標，如工作帶寬、覆蓋角域、功率傳輸效率等。圖1給出寬頻天線罩具體外形面及其罩內(nèi)天線的相對位置關(guān)系，天線罩下方分別為中波段天線A及高波段天線B。天線A工作頻率為4GHz-7GHz，極化方式為斜極化；天線B工作頻率為7GHz-10GHz，極化方式為斜極化。

天線罩外形及相對位置

在天線A與天線B的實際工作視角內(nèi)，寬頻機載天線罩的技術(shù)要求見表1。其主要技術(shù)難點是使天線罩在保持足夠強度的同時，在一個寬頻帶范圍內(nèi)具備較高的功率傳輸系數(shù)，且天線罩自身外形為不可展開的異形曲面。機載天線罩應具備足夠的強度、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)壽命，其在貯存和使用壽命內(nèi)承受規(guī)定的載荷條件和環(huán)境條件時，不產(chǎn)生裂紋、氣泡、分層、缺膠、永久變形。在同時施加氣動載荷、振動、加速度條件下，天線罩任意切面的最大變形不應超過3.0mm。

機載天線罩設(shè)計

天線罩電性能設(shè)計

天線罩材料選擇

天線罩材料選擇需從材料特點、使用溫度、罩壁結(jié)構(gòu)類型及成型工藝等多方面綜合考慮，要求較高結(jié)構(gòu)強度和剛度的機載天線罩常采用夾層結(jié)構(gòu)形式，材料選擇是天線罩電性能設(shè)計的第一步，綜合考量材料結(jié)構(gòu)性能、電氣性能、工藝性能、化學性能及環(huán)境條件等因素，以確定蒙皮材料和芯層材料。（1）機械性能，要求高強度（彎曲、拉伸、壓縮）、高硬度，高模量、剛性好，并且隨溫度變化要小；（2）電氣性能，要求材料對電磁波幾乎“透明”，僅允許有小的能耗和相位滯后，一般要求介電常數(shù)ε和損耗角正切tanδ都要小；（3）工藝，要求工藝簡單且易于批量制作；（4）化學性能，要求化學性能穩(wěn)定，材料無毒（毒性小），耐腐蝕、抗老化，無污染，有阻燃性能，表面便于清理等。

經(jīng)過綜合對比分析材料力學性能、電性能、材料成本，寬頻機載天線罩蒙皮選用J-284PD氰酸脂石英布預浸料，介電常數(shù)為3.4，損耗角正切為0.008。常用的高性能芯層材料包括PMI泡沫與紙蜂窩，二者電性能參數(shù)差別不大，但PMI泡沫成型工藝復雜且在棱角處的成型工藝性不佳，選用紙蜂窩作為天線罩芯層材料，介電常數(shù)為1.09，損耗角正切為0.005。為具備良好環(huán)境適應性，機載天線罩外表面需要覆蓋防雨蝕涂層和抗靜電涂層，選用的防雨蝕漆介電常數(shù)為2.84，損耗角正切為0.037，防靜電漆介電常數(shù)為3.6，損耗角正切為0.06。

天線罩材料選擇

機載天線罩氣動外形曲面較為復雜，需確定天線傳輸電磁波的方向與天線罩表面法線方向的夾角范圍，作為天線罩后續(xù)電性能設(shè)計的輸入條件。選擇天線罩上任意一點P作為分析對象，在實際設(shè)計過程中對罩體上每個位置逐點進行計算。定義電磁波發(fā)射位置（天線A/天線B）至接收位置（天線罩上P點處）的向量為，P點在天線罩面上確定的切面法線向量為，二者之間的夾角θ為天線罩入射角。

機載天線罩外形面無法通過函數(shù)擬合，通過有限元軟件對天線罩離散化處理以提取坐標點，采用鄰近算法搜索目標點P點附近的3個最近節(jié)點并求得法向量。由天線-天線罩相對位置關(guān)系及天線波束覆蓋范圍計算得到電磁波傳輸方向矢量，由數(shù)學關(guān)系求解得到入射角θ。經(jīng)詳細計算得到如圖3所示機載天線罩電磁波入射角范圍分布，根據(jù)天線功能區(qū)確定其入射角范圍為30°～60°。

在夾層結(jié)構(gòu)天線罩中，A夾層天線罩具有均衡良好的強度-重量比和頻帶寬度；B夾層天線罩電性能較優(yōu)，但結(jié)構(gòu)承載的可靠性差；C夾層天線罩進一步拓展入射角和頻帶寬度，但其插入相位延遲隨入射角的敏感性較大且兩種極化下的分散性較大。為保證天線罩具有良好的強度和飛行可靠性，考慮工藝復雜性和制作成本影響，選用A夾層作為機載罩后續(xù)電性能設(shè)計方向。

A夾層天線罩結(jié)構(gòu)剛度性能主要由其內(nèi)外兩層蒙皮體現(xiàn)，綜合評估結(jié)構(gòu)剛度限制和安全系數(shù)，天線罩蒙皮初始厚度取值為0.3mm。不考慮天線罩實際外形和天線輻射特性條件下，基于等效傳輸線理論，編制多層介質(zhì)平板電磁傳輸效率計算程序，對典型入射角狀態(tài)下A夾層平板結(jié)構(gòu)傳輸效率隨芯層厚度的變化情況進行分析。典型頻率下的計算結(jié)果如圖3所示，水平極化下的透波率優(yōu)于垂直極化，且芯層厚度變化對傳輸效率的影響較大，應重點考慮垂直極化下的高頻段電性能要求。機載天線罩異形結(jié)構(gòu)導致夾層厚度分布不均，且小曲率半徑處無法完全等效為平板結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計天線罩內(nèi)外蒙皮厚度為0.3mm，芯層厚度為8mm，后續(xù)根據(jù)電性能和力學性能計算結(jié)果進一步優(yōu)化。

天線罩整體電性能設(shè)計

寬頻機載天線罩異形曲面導致夾層厚度分布不均，且小曲率半徑處無法完全等效為平板結(jié)構(gòu)，因此，必須建立天線-天線罩系統(tǒng)分析模型以評估并優(yōu)化天線罩電性能。基于理論計算確定的罩壁結(jié)構(gòu)尺寸，按照天線A、天線B與天線罩的相對位置關(guān)系，采用基于時域有限差分算法的三維電磁仿真軟件建立如圖4所示天線-天線罩電性能分析模型進行計算。分別對比帶罩前后的天線A與天線B在各個典型頻點下的輻射特性，計算天線罩在4GHz-7GHz和7GHz-10GHz的電性能指標。

圖5（a）-（d）分別展示了在4GHz頻率下，帶罩和不帶罩條件下天線A在水平極化和垂直極化輻射狀態(tài)下的主平面方向圖，通過對比兩種狀態(tài)下各個角度的輻射電平即可獲得天線罩功率傳輸效率。分別統(tǒng)計兩種極化狀態(tài)下，在4GHz-7GHz和7GHz-10GHz頻率范圍內(nèi)不同頻點下的傳輸效率，計算得到不同頻率之間的平均值和最小值。

在天線罩初步電性能設(shè)計結(jié)果基礎(chǔ)上，進一步微調(diào)天線罩蒙皮和芯層厚度以優(yōu)化天線罩，天線罩在4GHz-7GHz范圍內(nèi)，天線罩在水平極化狀態(tài)下功率傳輸系數(shù)平均值98.16%，最小值93.76%，垂直極化狀態(tài)下平均值 99.20%，最小值92.90%。在7GHz-10GHz范圍內(nèi)，天線罩在水平極化狀態(tài)下功率傳輸系數(shù)平均值97.77%，最小值90.36%，垂直極化狀態(tài)下平均值96.95%，最小值91.62%。綜上所述，最終設(shè)計完成的天線罩電性能參數(shù)符合技術(shù)要求。

天線罩強度校核

基于天線罩電性能設(shè)計結(jié)果，采用有限元法建立如圖6所示天線罩強度分析模型：內(nèi)外蒙皮以2D單元模擬，賦予0.3mm的J-284PD氰酸酯石英布預浸料材料屬性；蜂窩通過實體單元模擬，賦予各向同性材料屬性，彈性模量27MPa，泊松比0.01；內(nèi)外蒙皮與蜂窩的粘接通過tie模擬；邊界條件為固定復材搭接區(qū)所有自由度。

根據(jù)要求工況在外蒙皮施加壓力，強度分析結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為天線罩變形云圖，其結(jié)構(gòu)最大變形0.09mm，位于外蒙皮；圖7（b）顯示蜂窩最大Mises應力0.12Mpa。綜上，天線罩結(jié)構(gòu)滿足靜強度設(shè)計要求。

樣件研制與試驗測試

天線罩樣件與靜力試驗

以寬頻機載天線罩結(jié)構(gòu)數(shù)模和技術(shù)條件為設(shè)計輸入，綜合考慮材料和成型模具的熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)選取合適的成型模具材料，采用預浸料熱壓罐成型工藝制備天線罩樣件。天線罩主要成型工藝包括外蒙皮成型、夾層泡沫成型和內(nèi)蒙皮成型，成型后在不脫模狀態(tài)下進行修邊，脫模后進行鉗修、打磨，并采用專用鉆具進行打孔，最后進行表面噴涂處理，研制完成的天線罩實物如圖8所示。

為驗證寬頻機載天線罩結(jié)構(gòu)強度，設(shè)計靜力試驗工裝并按照規(guī)定載荷加載要求開展天線罩靜力試驗，整個試驗過程中無異常響聲，最大變形0.33mm，試驗后天線罩未出現(xiàn)永久性凹陷或破壞，滿足技術(shù)指標要求。

天線罩電性能試驗

在微波遠場暗室環(huán)境條件下，與天線A或天線B為接收天線，采用比較法測試天線罩在4GHz-7GHz和7GHz-10GHz頻率范圍內(nèi)的電性能。天線罩在4GHz頻率下的電性能測試結(jié)果如圖9所示，與仿真結(jié)果相比二者趨勢具有一致性，但功率傳輸效率存在一定差異。

寬頻機載天線罩電性能測試結(jié)果見表3。在4GHz-7GHz范圍內(nèi)，水平極化狀態(tài)下平均值97.95%，最小值90.27%，垂直極化狀態(tài)下平均值96.77%，最小值90.30%。在7GHz-10GHz范圍內(nèi)，水平極化狀態(tài)下平均值94.78%，最小值88.32%，垂直極化狀態(tài)下平均值94.14%，最小值84.55%。

總結(jié)

本文以天線罩承受載荷及重量要求為約束條件，從復合材料選型、罩壁結(jié)構(gòu)、電性能、力學性能等方面對寬頻機載天線罩開展了多學科綜合性設(shè)計。通過入射角計算、等效平板透波率優(yōu)化確定天線罩罩壁結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)，然后基于三維電磁仿真軟件建立天線-天線罩系統(tǒng)模型對天線罩電性能進行分析和優(yōu)化，最后采用有限元法對天線罩結(jié)構(gòu)強度進行校核。基于優(yōu)化設(shè)計后的寬頻機載天線罩結(jié)構(gòu)數(shù)模和技術(shù)條件，對天線罩進行了樣件研制和試驗測試，結(jié)果表明天線罩各項指標均滿足技術(shù)要求。本文的研究工作為后續(xù)寬頻機載天線罩設(shè)計和研制提供參考。