天線方向圖的天線罩賦形補(bǔ)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(fā)生了畸變，導(dǎo)致接收系統(tǒng)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(nèi)腔使通過天線罩的電磁波相位超前或滯后，結(jié)合天線罩的透射系數(shù)相位分布，使兩者的相位差抵消，達(dá)到天線方向圖的補(bǔ)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(dǎo)致的接收系統(tǒng)靈敏度降低的問題。

【關(guān)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(hù)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(yán)峻環(huán)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(hù)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(fā)生了畸變，探測器接收系統(tǒng)在畸變方向上靈敏度降低，探測系統(tǒng)要求天線罩保證天線發(fā)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(nèi)。為解決天線罩引起的天線方向圖畸變的問題，文獻(xiàn)[1-3]對天線罩的電磁特性進(jìn)行了分析、仿真，如何補(bǔ)償沒有給出方案，文獻(xiàn)[4]提出在制造過程中對天線罩壁的電厚度進(jìn)行測量，根據(jù)測量結(jié)果再進(jìn)行電性能補(bǔ)償，這種方法周期長，工程實(shí)現(xiàn)性差，文獻(xiàn)[5]通過調(diào)整饋源的軸向偏焦補(bǔ)償，對反射面天線補(bǔ)償效果明顯而對彈載天線指導(dǎo)意義不大。本文提出了一種天線罩賦形的補(bǔ)償方法，以滿足探測系統(tǒng)要求。

1 天線罩電磁特性

要對天線罩的電性能進(jìn)行補(bǔ)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(fù)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(yīng)，計(jì)算精度高，故本文采用矩量法進(jìn)行電磁分析。

矩量法先應(yīng)用口面積分計(jì)算天線罩內(nèi)表面的電場值和磁場值作為矩量法分析的激勵，根據(jù)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)模型，將天線罩內(nèi)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(yuǎn)區(qū)輻射場。

圖1 天線罩結(jié)構(gòu)圖

圖2 電磁波的反射與折射

采用直角坐標(biāo)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(zhuǎn)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(zhì)時，由于界面的不連續(xù)性，電磁波首先在界面上發(fā)生反射和折射，形成反射波和透射波，透射波由介質(zhì)進(jìn)入自由空間又發(fā)生反射和折射，進(jìn)入介質(zhì)的透射波分成兩部分，一部分穿過介質(zhì)進(jìn)入自由空間形成透射波，另一部分在介質(zhì)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(zhì)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(zhì)時產(chǎn)生了相位變化。

設(shè)天線罩的相對介電常數(shù)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(dǎo)致的相位變化與材料厚度、物性參數(shù)和入射角有關(guān)，當(dāng)天線罩結(jié)構(gòu)材料確定后相位分布只于入射角有關(guān)，雖然天線罩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以寫出相位與材料物性的顯性表達(dá)式，但相位的分布應(yīng)該隨入射角變化規(guī)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(zhì)板上其相位變化是相同的，仍是一等相位面，而天線罩的結(jié)構(gòu)是錐形的，各點(diǎn)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(dá)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(shù)、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(shù)和損耗角正切是一定的，天線罩的外形結(jié)構(gòu)是為了滿足彈體的空氣動力學(xué)要求，現(xiàn)在只能通過改變天線罩內(nèi)腔體的形狀和厚度對天線罩的電性能進(jìn)行補(bǔ)償，天線賦形就是通過借助天線罩反射面產(chǎn)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(zhuǎn)體模型，運(yùn)用矩量法建立電小尺寸的分析方法，利用回轉(zhuǎn)體的特點(diǎn)采用適當(dāng)?shù)幕瘮?shù)將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，以降低計(jì)算量提高計(jì)算效率，給出天線方向圖波束情況，確定天線罩上對應(yīng)的物理位置，相應(yīng)位置的電磁波入射角，修正天線罩內(nèi)腔的形狀，內(nèi)腔形狀的改變會導(dǎo)致該位置的透射波相位超前或滯后，如圖3所示，由幾何關(guān)系知，引起的相位變化為：

式中ε為天線罩的相對介電常數(shù)，θ是電磁波的入射角， 是電磁波在介質(zhì)中的波長

圖3 電磁波修正相位變化

根據(jù)天線罩透射系數(shù)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(shí)現(xiàn)了天線罩的電性能補(bǔ)償，天線罩賦形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 無賦型天線罩結(jié)構(gòu) ? ? ? ? ? ? 圖5 賦形天線罩結(jié)構(gòu)

3 仿真及驗(yàn)證

3.1 仿真

利用上述方法，進(jìn)行仿真，天線罩外形為圓錐形，結(jié)構(gòu)如圖4、5所示。天線罩內(nèi)的天線為23GHz波導(dǎo)口天線，天線罩厚度8.2mm，材料為聚四氟乙烯，介電常數(shù)取ε=2.5，分別計(jì)算23GHz頻點(diǎn)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(yuǎn)場方向圖，得出仿真結(jié)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(jìn)行天線罩賦形，賦形后凹陷點(diǎn)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(tǒng)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(yàn)證試驗(yàn)

對賦形天線罩連接探測系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拉距試驗(yàn)，利用16cm和24cm角反射體模擬目標(biāo)特性，探測系統(tǒng)輻射電磁波照射到固定位置的模擬目標(biāo)，模擬目標(biāo)反射信號被接收天線接收，經(jīng)探測系統(tǒng)的信號處理器處理，提取目標(biāo)特性，檢測探測器輸出目標(biāo)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(jìn)行了拉距試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表，由表1可以看出賦形天線罩補(bǔ)償效果明顯，在100上的測試結(jié)果賦形天線罩要比無賦形天線罩大2.7dB左右。

4 結(jié)論

本文提出了天線罩賦形的方法對天線方向圖進(jìn)行修正。通過對天線罩的內(nèi)反射面進(jìn)行賦形，使經(jīng)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(shí)驗(yàn)室拉距試驗(yàn)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。

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[責(zé)任編輯：張濤]