雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展與展望

王 超，顧葉青，王 晨

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的研究進(jìn)展與展望

王 超，顧葉青，王 晨

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中以艦載及地面雷達(dá)常用天線罩為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了概述。首先介紹了天線罩的功能和分類以及電訊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等基本知識(shí)；然后詳細(xì)介紹了天線罩的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、載荷形式、工藝方法等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容,并詳細(xì)研究了典型波段天線罩壁厚的設(shè)計(jì)方法；接著介紹了幾種應(yīng)用相對(duì)較少但有廣泛需求的新型天線罩；最后簡單探討了天線罩的發(fā)展趨勢。

天線罩；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；新型天線罩；發(fā)展趨勢

引 言

天線罩一般安裝在天線前面，使天線免受自然界中暴雨、強(qiáng)風(fēng)、冰雪、沙塵、太陽輻射、鹽霧等的侵襲，又是天線電磁波接收、發(fā)射的電磁窗口。因此，它是降低或消除外部環(huán)境對(duì)天線的影響且具有良好透波性能的結(jié)構(gòu)功能件。由此可見，天線罩的設(shè)計(jì)需綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、罩壁厚度、材料選擇、工藝方法及電訊性能等多種要求。本文旨在通過介紹和探討天線罩的基本設(shè)計(jì)方法，為相關(guān)研究和設(shè)計(jì)工作提供參考。文中首先介紹了天線罩的基本分類方法，使讀者對(duì)天線罩的結(jié)構(gòu)形式有較清晰的認(rèn)識(shí)；然后進(jìn)一步介紹了天線罩的電訊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，明確天線罩設(shè)計(jì)中需注意的電性能要求；接著詳細(xì)討論了天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的結(jié)構(gòu)形式、罩壁厚度、材料選擇、工藝方法等關(guān)鍵技術(shù)問題；最后重點(diǎn)探討了幾種目前應(yīng)用較少但有廣泛需求的新型天線罩結(jié)構(gòu)及各自的技術(shù)難點(diǎn)，并對(duì)天線罩的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 天線罩的基本分類

天線罩的主要分類方法有：1)從使用方面可將其分為航空型、地面型及艦載型3大類。2)從電性能方面可根據(jù)天線輻射波的入射角分為垂直入射天線罩和大入射角天線罩。輻射波射線與罩壁法線的夾角為入射角，入射角小于30°的稱為垂直入射天線罩。如入射角的變化范圍較大(從0°變到75°以上)，則稱為大入射角天線罩。3)根據(jù)天線罩的外形可分為平板罩、微拱(或拱形罩)和球罩(如圖1所示)。充氣天線罩是一種較為特殊的球罩形式。4)按天線罩壁橫截面的形式可將天線罩分為實(shí)心壁結(jié)構(gòu)、A夾層結(jié)構(gòu)[1]和C夾層結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。這3種天線罩壁結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)見表1。這種分類方法目前應(yīng)用較為廣泛。

圖1 球形罩

圖2 天線罩的主要截面形狀

表1 各天線罩壁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

2 天線罩的電訊設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要了解天線的工作頻率、工作帶寬、掃描角度、透波率等指標(biāo)要求，而天線罩電訊設(shè)計(jì)師主要關(guān)心各材料的介電常數(shù)和損耗正切角這2個(gè)參數(shù)。

2.1 工作頻率

相控陣?yán)走_(dá)的工作頻率主要集中在P、L、S、C、X和毫米波波段。一般而言，頻段越低，天線罩就越厚，頻段越高，天線罩就越薄。天線罩的厚度一般在天線罩工作頻率的1/4波長左右，低頻段天線罩的壁厚也可取在波長的1/10以下。低頻段天線罩對(duì)制造公差(主要是厚度公差)的要求相對(duì)較低，高頻段天線罩對(duì)制造公差的要求較高。

2.2 工作帶寬

天線的電訊參數(shù)一般都與工作頻率有關(guān)，應(yīng)保證電訊參數(shù)相關(guān)指標(biāo)的頻率變化范圍，即天線的工作頻率寬度。一般全向天線的工作帶寬能達(dá)到工作頻率范圍的3%～5%，定向天線的工作帶寬能達(dá)到工作頻率范圍的5%～10%。天線的工作帶寬決定了天線罩的結(jié)構(gòu)形式，窄帶天線可選用單層結(jié)構(gòu)形式，寬帶天線可設(shè)計(jì)成A夾層形式，超寬帶天線可設(shè)計(jì)成C夾層形式。

2.3 掃描角度

如圖3所示，天線掃描角度θ1指的是電磁波射線與入射點(diǎn)法線方向的夾角；入射角θ指的是天線掃描后的電磁波射線與天線法向的夾角。當(dāng)入射角不大于45°時(shí)，天線罩相對(duì)容易設(shè)計(jì)；如果入射角大于45°，天線罩的透波率和帶寬會(huì)降低，進(jìn)而會(huì)增加天線罩的設(shè)計(jì)難度。因此，在設(shè)計(jì)天線罩外形時(shí)，需考慮入射角對(duì)天線罩電性能的影響，進(jìn)而確定合適的天線罩截面形式、外部形狀及壁厚。

圖3 掃描角與入射角的示意圖

2.4 透波率和副瓣電平

對(duì)于天線罩電性能而言，透波率和副瓣電平是2個(gè)重要的指標(biāo)。透波率指的是電磁波通過天線罩的損耗，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值；副瓣電平指副瓣的最大功率值與主瓣的最大功率值之比，設(shè)計(jì)天線罩時(shí)一般關(guān)注的副瓣電平抬高是指天線的第1副瓣相對(duì)于天線方向圖的電平抬高指數(shù)。這2個(gè)指標(biāo)主要受天線罩材料的電性能參數(shù)和壁厚的影響。

3 天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 結(jié)構(gòu)形式

如圖4所示，天線罩結(jié)構(gòu)形式的選擇主要考慮電性能、承載性能、環(huán)境適應(yīng)性、用途和陣面結(jié)構(gòu)的維修性等。

圖4 天線罩結(jié)構(gòu)形式的選擇

3.2 材料選擇

3.2.1 天線罩蒙皮材料

天線罩一般選用玻璃布/環(huán)氧樹脂基的蒙皮材料，這種材料的力學(xué)性能主要取決于玻璃原絲的性能和織布的經(jīng)緯向密度。樹脂含量對(duì)蒙皮材料電性能的影響比較大，但與玻璃布相比，它對(duì)蒙皮材料力學(xué)性能的影響不是很大。因此，蒙皮材料的性能主要取決于玻璃布的性能和樹脂含量，一般要求蒙皮材料的樹脂含量在35%～44%之間。天線罩上常用的蒙皮材料主要有以下幾種：

1)室溫成型用蒙皮材料。一般選取無堿玻璃布/環(huán)氧樹脂(或聚酯樹脂)基材料。該種樹脂在使用過程中會(huì)對(duì)人體造成較大的傷害，所以多數(shù)單位不使用該體系材料。另外，由于手糊樹脂成型方式很難將樹脂含量控制均勻，因此這種蒙皮材料適用于低頻段天線罩或?qū)﹄娦阅芤蟛桓叩奶炀€罩。

2)高強(qiáng)玻璃布/中溫環(huán)氧樹脂基材料體系。這種材料的固化溫度為120 ℃，比較具有代表性的材料體系有SW280/3218、SW220/3218及SW110/3218。

3)石英玻璃布/氰酸酯基材料體系。這種材料體系的主要優(yōu)點(diǎn)是介電常數(shù)低，損耗低，主要用于對(duì)電性能要求較高的X波段以上的天線罩。但其固化溫度較高(190 ℃)，對(duì)相應(yīng)材料體系的溫度要求比較高，材料自粘性較差，工藝性不好，材料強(qiáng)度低于高強(qiáng)玻璃布/中溫環(huán)氧樹脂，且價(jià)格較貴。這種典型的材料體系有QW110/氰酸酯樹脂。

3.2.2 天線罩芯層材料

天線罩所用芯層材料一般有蜂窩和泡沫2種。蜂窩一般選用Nomex紙蜂窩/酚醛樹脂，還有應(yīng)用相對(duì)較少的玻璃布蜂窩、塑料蜂窩等。室溫成型可以選用聚氨酯泡沫[2]、聚苯乙烯泡沫、PET泡沫等，這幾種泡沫的耐溫性約為80 ℃；中溫或高溫成型的天線罩可選用PMI泡沫，還可根據(jù)需要選用不同密度和耐溫性的PMI泡沫。

3.2.3 膠膜材料

室溫固化天線罩不需要膠膜，只有中溫或高溫固化天線罩需要在每處蒙皮和芯層之間增加一層膠膜。膠膜的作用主要是粘接蒙皮和蜂窩，填補(bǔ)蒙皮和蜂窩之間的間隙。FM73M是應(yīng)用較廣泛的中溫固化膠膜。

3.3 載荷形式

3.3.1 地面天線罩

一般地面用天線罩載荷的演化公式為：

(1)

式中：ρ為空氣密度，0.125 kg/m3；V為風(fēng)速，m/s；g為重力加速度，m/s2；α為載荷安全系數(shù)；β為陣風(fēng)因子。

3.3.2 地面球罩

地面球罩的載荷分布如下：

P=q(-1.3+0.180 1sinφcosθ+0.78sin2φ+

(2)

式中：q為常數(shù)，可按風(fēng)速推導(dǎo)；φ和θ為球面坐標(biāo)系的經(jīng)度角和緯度角。

3.3.3 艦載天線罩

風(fēng)載可按地面天線罩計(jì)算方法進(jìn)行求解，但一般對(duì)艦載天線罩還會(huì)提出風(fēng)浪拍擊的要求，且該載荷一般會(huì)高于風(fēng)載。

3.4 罩壁厚度

這里以車載A夾層(S波段)和地面C夾層(X波段)天線罩為例介紹天線罩壁厚的設(shè)計(jì)方法。要求天線罩在25 m/s風(fēng)速下正常工作，32 m/s風(fēng)速下不破壞。同時(shí)為了保證天線罩在工作過程中不與天線單元接觸，假設(shè)天線罩的變形小于25 mm，且滿足強(qiáng)度要求。這里根據(jù)多數(shù)天線罩的鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)其各層厚度作如下簡化：假設(shè)A夾層天線罩的內(nèi)外蒙皮厚度相同且取值范圍為0.4～0.8 mm，C夾層天線罩的內(nèi)外蒙皮厚度相同且是中蒙皮厚度的2倍，內(nèi)外2層Nomex蜂窩的厚度相同?；谝陨虾喕煞治龅玫綕M足剛強(qiáng)度性能要求的2種天線罩的最小壁厚，表2和表3列出了不同面積的天線罩所需的各夾層最小厚度的3種組合。得到一系列這類表格后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可根據(jù)電訊設(shè)計(jì)師的相關(guān)指標(biāo)方便快速地判斷電訊指標(biāo)是否合理，能否滿足結(jié)構(gòu)性能要求，并能有效地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。

表2 不同面積的A夾層(S波段)天線罩的最小蒙皮和芯層厚度組合 mm

注：TM為內(nèi)外蒙皮厚度，mm；TN為蜂窩厚度，mm；W為天線罩寬度，m。

表3 不同面積的C夾層(X波段)天線罩的最小蒙皮和芯層厚度組合 mm

注：TM為內(nèi)外蒙皮厚度，mm；TMz為C夾層天線罩中蒙皮厚度，mm；TN為蜂窩厚度，mm；W為天線罩寬度，m。

3.5 后處理

3.5.1 天線罩蒙皮強(qiáng)度校核

一般選用如式(3)所示的蔡-胡準(zhǔn)則計(jì)算面內(nèi)強(qiáng)度應(yīng)力因子：

(3)

3.5.2 天線罩芯層強(qiáng)度校核

對(duì)于蜂窩芯，采用最大橫向剪應(yīng)力準(zhǔn)則，考慮剪應(yīng)力YZ和剪應(yīng)力ZX是否超出強(qiáng)度極限，即:

(4)

分別將剪應(yīng)力τ13、τ23與τcr進(jìn)行比較，若剪應(yīng)力τ13或τ23大于τcr，則天線罩芯層破壞。

還可參考《復(fù)合材料手冊》中關(guān)于蜂窩芯層剪切強(qiáng)度校核的要求:

τ13<[τ13]×0.7
τ23<[τ23]×0.7

(5)

蒙皮和蜂窩芯層間脫層的判據(jù)為：

(6)

式中，τ膠為膠的剪切強(qiáng)度值。

3.6 工藝方法

3.6.1 室溫固化工藝

天線罩室溫固化工藝對(duì)模具要求不高，模具可用泡沫模、石膏模、玻璃模、水泥模、樹脂模等。在制作天線罩之前，先在天線罩上鋪設(shè)脫模劑或脫模布，然后按天線罩結(jié)構(gòu)鋪設(shè)玻璃布和樹脂，待每層(如內(nèi)蒙皮)玻璃布固化后，將固化表面打磨光順再鋪設(shè)芯層，待芯層和內(nèi)層玻璃布粘接完畢后，清理芯層，檢查芯層的拼接縫是否粘接良好，再鋪設(shè)上面的蒙皮，如此反復(fù)。

這種工藝一般采用手糊方式，在玻璃布上手刷樹脂，一層一層鋪貼成型。這種成型方式在低溫環(huán)境下比較容易實(shí)現(xiàn)，原因是樹脂在低溫下不容易固化，不容易出現(xiàn)邊鋪設(shè)邊固化的現(xiàn)象。復(fù)合材料固化有一定的收縮率，在制造過程中需考慮收縮率對(duì)天線罩形面的影響。

3.6.2 熱壓罐固化工藝

熱壓罐成型工藝對(duì)天線罩模具要求很高，一般要求模具為金屬膜(如鋁模、鋼模)，最好的模具材料為殷鋼模，也有部分天線罩選用復(fù)合材料模具，要求復(fù)合材料模具的成型溫度要高于天線罩制件的溫度。常用的A夾層天線罩一般需經(jīng)過2次固化，而C夾層天線罩則一般需要經(jīng)過3次固化，現(xiàn)在也有針對(duì)這2種天線罩采用1次固化成型的工藝。

熱壓罐成型工藝可用隨爐件的性能來判斷天線罩的固化質(zhì)量。通過隨爐件可檢查蒙皮材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、蒙皮鋪層的壓厚、蒙皮和芯層的滾筒剝離強(qiáng)度，蒙皮和芯層的介電常數(shù)和損耗角正切等性能。

4 新型天線罩結(jié)構(gòu)

4.1 充氣天線罩

球形薄膜在截口四周用壓板固定于氣密性的平臺(tái)上，周圍或用繩子拉緊，或用其他方法固定并在內(nèi)部充氣。它的優(yōu)點(diǎn)是罩壁薄且均勻，電訊性能好，適于寬頻帶工作，罩體柔軟便于折疊，重量輕，體積小，運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、安裝方便等。但是該類型天線罩也有明顯的缺點(diǎn)：需要持續(xù)向罩內(nèi)充氣，以維持罩子形狀和必要的剛性；若充氣設(shè)備發(fā)生故障，會(huì)使罩子倒塌甚至損壞天線，因此需要外加自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)并且還需備份；充氣罩的成本較高等。

4.2 頻率選擇表面天線罩

減小飛行器雷達(dá)散射截面(RCS)的主要途徑是采用低RCS外形設(shè)計(jì)和雷達(dá)吸波涂料技術(shù)[3]，但這2種隱身措施不可能簡單地在天線隱身中獲得應(yīng)用。因此隱身天線罩技術(shù)就成為解決雷達(dá)天線隱身問題的主要技術(shù)之一。隱身天線罩通常采用的技術(shù)包括頻率選擇表面技術(shù)(FSS)、極化選擇表面膜技術(shù)(PSS)、阻抗加載技術(shù)以及時(shí)域隱身技術(shù)等，而目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的是FSS技術(shù)。

FSS天線罩的主要優(yōu)點(diǎn)有[3-5]：雷達(dá)工作頻段內(nèi)信號(hào)可以正常傳輸，工作頻段外的入射電磁波被天線罩反射而形成極低的RCS，即利用天線罩的低RCS取代了天線的強(qiáng)RCS特性，達(dá)到了外隱身的效果；FSS天線罩的幾何外形與飛行器的本體結(jié)構(gòu)貼近，即不改變天線罩的氣動(dòng)外形，滿足飛行器動(dòng)力學(xué)要求；不影響原雷達(dá)系統(tǒng)的電氣特性和天線罩的機(jī)械強(qiáng)度，基本上不增加天線罩的重量。當(dāng)FSS天線罩為曲面時(shí)，罩面上不同點(diǎn)處的電場入射角變化較大，應(yīng)選擇對(duì)入射角和極化不敏感、穩(wěn)定性較好的單元，可選擇如圖5所示的自對(duì)稱的圓形、圓環(huán)、多邊形和方環(huán)等圖形。

圖5 頻率選擇表面天線罩常用單元形狀

FSS天線罩制備的關(guān)鍵是如何將FSS層加載到復(fù)合材料天線罩上。目前，國內(nèi)主要采用以下2種方法將FSS層加載到天線罩內(nèi)：一種是在薄膜基底上進(jìn)行鍍膜、光刻得到柔性FSS膜，然后固化到天線罩上。這種方法是常用的、相對(duì)較簡單的辦法。另一種是通過數(shù)字化機(jī)械加工的方法來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]研究了復(fù)雜頻率選擇表面加工的五自由度刻銑機(jī)器人曲面加工法及其在大型曲面加工上的應(yīng)用，分析掌握了工藝參數(shù)對(duì)FSS傳輸性能的影響，通過建立浮動(dòng)電主軸技術(shù)和曲面分區(qū)法大大提高了FSS曲面的加工效率。這種方法目前還未真正實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

目前FSS天線罩還有一些技術(shù)難點(diǎn)需要進(jìn)一步深入研究，如高選擇性和高角度穩(wěn)定的FSS設(shè)計(jì)、窄帶FSS設(shè)計(jì)、帶內(nèi)低損耗設(shè)計(jì)、曲面FSS設(shè)計(jì)以及FSS曲面加工技術(shù)等。

美國在2011年宣布研發(fā)新型隱形轟炸機(jī)，將高度融合并提升第四代戰(zhàn)斗機(jī)采用的隱身技術(shù)，具有“全向、寬頻”的FSS天線罩的制備將是其需要重點(diǎn)攻克的技術(shù)。所以，從現(xiàn)役飛行器隱身改裝和新型隱身飛行器設(shè)計(jì)的長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看，研究FSS天線罩具有十分重要的意義。

4.3 耐高溫天線罩

隨著相控陣?yán)走_(dá)逐漸向?qū)掝l帶、高功率等方向發(fā)展，某些天線罩所用的材料不但要滿足透波要求，還需在高溫下保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?，且需具有良好的熱沖擊性和耐熱性等性能。文獻(xiàn)[7-8]認(rèn)為，MW100 /BMP350聚酰亞胺復(fù)合材料體系能較好地滿足上述性能。BMP-350型樹脂是一種新型熱固性聚酰亞胺樹脂，與環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等傳統(tǒng)樹脂基體相比，不但介電常數(shù)、損耗正切值較低，且耐溫性更好，其正常工作溫度為350℃，短期使用溫度可達(dá)400 ℃。M-玻纖MW100具有較高的拉伸模量和拉伸強(qiáng)度，且其電性能與E-玻纖和D-玻纖相近，但比石英玻璃纖維差。因此，在選用增強(qiáng)纖維材料時(shí)需綜合考慮電性能、力學(xué)性能和成本等多種因素。

5 天線罩的發(fā)展趨勢

天線罩的發(fā)展呈現(xiàn)以下幾種趨勢：

1)天線罩材料正向著良好的介電性能、高力學(xué)性能以及良好的三防和工藝性方向發(fā)展，可供選擇的材料種類將會(huì)不斷豐富；

2)天線罩的固化工藝逐漸從熱壓灌固化向著多種固化技術(shù)發(fā)展(如電子束固化、感應(yīng)加熱固化、低溫成型高溫后固化等)，進(jìn)而降低模具成本和制造成本；

3)天線罩的結(jié)構(gòu)形式將不斷發(fā)展，不但有傳統(tǒng)的介質(zhì)罩還有結(jié)構(gòu)新穎的充氣罩等形式；

4)天線罩將不但需滿足電性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等傳統(tǒng)要求，還需滿足寬頻帶、隱身性和低重量等要求[9-10]，未來還可發(fā)展出其他功能要求(如與天線單元進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)等)。

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王 超(1984-)，男，博士，工程師，主要從事大型天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Review and Prospect of Design Methods of Antenna Radome Structure

WANG Chao，GU Ye-qing，WANG Chen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The structure style and design methods of the antenna radome used in the ship-borne and ground-based radars are summarized in this paper. Firstly, the function, classification and electrical design are introduced. Then several key technologies of the radome design such as structure style, material selection, load form and manufacturing process are described and the method of choosing the radome thickness in each layer at the typical wave band is researched in detail. After that, some new pattern antenna radomes seldom used at present but widely required in the future are introduced. Finally, the development trend of the antenna radome is discussed briefly.

antenna radome; structure design; new pattern antenna radome; development trend

2015-10-21

TN820.8+1

A

1008-5300(2015)06-0001-05