一種新型雙頻天線罩設(shè)計

吳秉橫，顧 昊，馮紅全，余 興，劉元云

（1.上海市航空航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點實驗室，上海 200438；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海 200090）

0 引言

作為航空器系統(tǒng)中的重要分系統(tǒng)之一，天線罩的作用是保護(hù)導(dǎo)引頭天線在高速飛行時不受外界環(huán)境影響，又需保證導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)能力，即具有電磁波高效穿透的功能［1］。隨著復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，對天線罩的電氣性能提出了更高的要求，一般需要天線罩在兩個不同的頻段內(nèi)具有良好的功率傳輸系數(shù)。因此，雙頻天線罩的電性能對導(dǎo)引頭有非常重要的意義。為實現(xiàn)天線罩的雙頻透波，對雙頻天線罩實現(xiàn)形式進(jìn)行了大量研究，目前主要的壁結(jié)構(gòu)形式有單層、A夾層、C夾層、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等。由天線罩的整數(shù)倍半波長壁厚設(shè)計理論，厚度為半介質(zhì)波長整數(shù)倍的單層結(jié)構(gòu)天線罩已廣泛用于帶寬小于5%的窄帶導(dǎo)引頭系統(tǒng)［2－3］。另外，對工作頻率為2倍或3倍的雙頻復(fù)合導(dǎo)引頭來說，單層結(jié)構(gòu)天線罩仍可滿足雙頻透波的要求。此外，當(dāng)工作頻段跨度很大時，單層結(jié)構(gòu)天線罩既是其中一個頻段對應(yīng)的半波長壁厚天線罩，又是另一頻段對應(yīng)的薄壁天線罩，在2個頻段均可實現(xiàn)電磁波的低損耗透過。A夾層天線罩由1層低介電常數(shù)的芯層和2層很薄的高介電常數(shù)蒙皮組成，通過調(diào)節(jié)各層的厚度和介電常數(shù)，可實現(xiàn)2個頻率較高的功率傳輸系數(shù)，但主要用于地面雷達(dá)或機(jī)載雷達(dá)天線罩［4］。C夾層天線罩由3層高介電常數(shù)蒙皮和兩側(cè)低介電常數(shù)芯層構(gòu)成，是實現(xiàn)超寬帶透波的解決方案之一［5］。對C夾層結(jié)構(gòu)在雙頻天線罩的應(yīng)用也進(jìn)行了一定的研究，但該種材料結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，目前用于高超聲速導(dǎo)彈天線罩時還存在工藝難度。本文對一種新型對稱A夾層雙頻天線罩設(shè)計進(jìn)行了研究。

1 傳輸特性分析

A夾層天線罩的罩壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：天線罩的外層由石英纖維、氮化硅或其他高密度低損耗材料組成，相應(yīng)的介電常數(shù)ε1＝ε2＝εa，損耗正切角tanδ1＝tanδ3＝tanδa，厚度d1＝d3＝da；芯層由泡沫或蜂窩等低密度低損耗材料構(gòu)成，介電常數(shù)ε2＝εb，損耗正切角tanδ2＝tanδb，厚度d2＝db。

圖1 A夾層天線罩的罩壁結(jié)構(gòu)Fig.1 Wall structure of symmetrical A－layer radome

當(dāng)平面波以入射角θ穿過天線罩壁時，電磁波的傳輸系數(shù)為

式中：

此處：為相對復(fù)介電常數(shù)，且為相對磁導(dǎo)率，對天線罩壁各層，為用歸一化的介質(zhì)特性阻抗；n＝1，2，3；符號“／／”表示平行極化，“⊥ ”表示垂直極化［6］。

2 天線罩設(shè)計與分析

2.1 雙頻天線罩設(shè)計原理

為滿足空氣動力學(xué)要求，天線罩的外形是頭部較尖的流線型，同時考慮導(dǎo)引頭天線在天線罩內(nèi)對整個空域進(jìn)行掃描的因素，天線罩壁上不同位置對應(yīng)的電磁波入射角有所不同，故常用變法向壁厚的方法實現(xiàn)天線罩的最佳透波設(shè)計［7］。對A夾層天線罩設(shè)計，同樣采用變法向厚度的設(shè)計方法實現(xiàn)C，Ka波段的電磁波穿透。

雙頻天線罩為A夾層結(jié)構(gòu)，外層為介電常數(shù)約3.2的氮化硅；天線罩的芯層通過兩層氮化硅天線罩間的空氣間隙天然而成，介電常數(shù)為1。A夾層雙頻天線罩截面如圖2所示。

圖2 A夾層雙頻天線罩截面Fig.2 Cross section of dual－frequency A－layer radome

設(shè)計中，根據(jù)天線罩罩壁上不同位置對應(yīng)的入射角，先求出天線罩外層的厚度，該厚度約為Ka波段上工作頻點對應(yīng)的半介質(zhì)波長。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)已知的入射角和天線罩外層厚度，確定此時滿足C波段工作頻點最佳透波的空氣芯層厚度，進(jìn)而得出對應(yīng)不同入射角的天線罩外層和芯層厚度，最終建立天線罩模型。

2.2 平板傳輸性能分析

用上述設(shè)計方法建立對應(yīng)不同入射角的最優(yōu)外層和芯層厚度，所得天線罩平板模型如圖3所示。計算時，用電磁波單層平板透波公式算得外層在Ka波段的最優(yōu)厚度，由平面電磁波穿透多層介質(zhì)平板公式優(yōu)化C波段的最佳透波，獲得不同入射角的最優(yōu)芯層壁厚?？紤]水平極化電磁波在入射角約60°處會出現(xiàn)全折射，因此最優(yōu)芯層厚度的優(yōu)化結(jié)果基于垂直極化情況而得。

在天線罩厚度為圖3中不同入射角對應(yīng)的尺寸，氮化硅材料的相對介電常數(shù)εr＝3.2，損耗正切角tanδ＝0.005條件下，用式（1）所得不同入射角下A夾層天線罩平板的功率傳輸系數(shù)如圖4所示。由圖可知：因存在損耗正切角，0°～70°入射角的最大功率傳輸系數(shù)并未達(dá)到100%，但在2個頻帶內(nèi)均大于90%，具有優(yōu)異的雙頻透波性能。

圖3 不同入射角下最優(yōu)外層和芯層厚度Fig.3 Optimal thickness of outer and inner layer with various incident angle

圖4 不同入射角下A夾層天線罩功率傳輸系數(shù)Fig.4 Transmission coefficient of A－layer radome with different incident angles

2.3 天線罩傳輸特性分析

確定天線罩的外形線、天線的口面尺寸等參數(shù)后，用幾何光學(xué)算法可算得天線罩壁每個位置對應(yīng)的平均入射角，由查詢不同入射角對應(yīng)的天線罩最優(yōu)外層和最優(yōu)芯層，建立天線罩的模型，天線罩的外形線為卡門曲線，長細(xì)比2.8。用二維幾何射線追蹤法，對不同天線掃描角的雙頻A夾層在C，Ka波段內(nèi)工作頻點的傳輸損耗進(jìn)行仿真［8－9］。所得A夾層天線罩傳輸損耗如圖5所示。由圖可知：在天線±60°掃描角范圍內(nèi)，C波段的垂直極化傳輸損耗小于0.9dB，水平極化傳輸損耗小于0.4dB；Ka波段的垂直極化傳輸損耗小于1.05dB，水平極化傳輸損耗小于0.4dB。仿真結(jié)果說明本文設(shè)計的變壁厚A夾層天線罩傳輸損耗在2個頻帶內(nèi)均小于1.05dB，具有良好的雙頻傳輸特性。

圖5 A夾層天線罩傳輸損耗Fig.5 Transmission loss of A－layer radome

3 結(jié)束語

本文給出了一種新型變法向壁厚的C／Ka波段A夾層復(fù)合天線罩設(shè)計。該天線罩由兩層氮化硅外層和一層空氣芯層構(gòu)成。用二維射線跟蹤法，建立A夾層天線罩二維模型，仿真計算了天線罩傳輸損耗。結(jié)果表明：天線罩在2個波段的工作頻點傳輸損耗小于1.05dB，滿足雙頻天線罩的透波需求。

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