電磁波入射角對小型機載天線罩透波率的影響測試

(1.海軍航空大學青島校區(qū)，山東 青島 266041； 2.中國人民解放軍91428部隊，浙江 寧波 315400；3.中國人民解放軍93808部隊，蘭州 730109)

0 引言

機載天線罩是與天線配套的重要部件，它安裝在機體上保護天線免受不利環(huán)境危害，以此增加天線的使用壽命，保證天線正常的工作效率。天線罩在保護天線的同時還要滿足天線發(fā)射接收的全部電性能要求，即對電磁波信號的傳輸具有最小的波瓣畸變和功率吸收，天線罩的透波率是天線高效工作的重要保證。天線罩在使用過程中可能會因為老化、損傷等原因造成透波性的下降，會導致天線輻射的主瓣衰減，副瓣電平升高，一定程度上會降低所附屬機載設(shè)備的作用距離和工作精度[1]。另外，由于不同種類的天線罩有特殊的外型構(gòu)造設(shè)計，結(jié)構(gòu)和壁厚的不同也會導致天線罩不同的位置上透波率的變化。因此，在天線使用過程中必須要掌握天線罩的透波率情況，尋求科學合理的天線罩的透波率測試方法，研究電磁波入射角度、極化方式、天線罩損傷等因素對天線罩透波率的影響，對天線罩的透波率開展測試研究，有利于指導天線罩的維護與使用，還可以為天線罩電性能的改進提供有力支撐。

1 天線罩透波率

1.1 天線罩類型

根據(jù)罩壁結(jié)構(gòu)形式，天線罩可分為以下幾種類型：A型夾層、B型夾層、C型夾層、單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)以及含金屬物的人工介質(zhì)等[2]。機載天線罩常采用A型夾層。如圖1所示，A型夾層由兩層介電常數(shù)較低的芯層所組成，具有能量損耗低的特點，芯層厚度有特殊的要求，可以使電磁波在兩層蒙皮上的反射抵消。A型夾層罩大多使用有機材料制造，可以獲得較高的力學強度，但是為了獲取較高的隔熱性能，使罩內(nèi)天線在高溫下得到保護，有些A型夾層罩使用了無機材料制備的夾層，以滿足天線罩透波性較高的要求。

圖1 A夾層天線罩結(jié)構(gòu)

1.2 透波率

電磁波在透過天線罩時會因為介質(zhì)的傳播和反射造成一定的衰減，這種特性稱為天線罩的透波性。天線罩透波性常采用透波率描述。

假設(shè)電磁波透過天線罩在電場遠區(qū)產(chǎn)生的最大輻射功率P1，相同條件下電磁波透過沒有天線罩的空間在電場遠區(qū)產(chǎn)生的最大輻射功率為P0，則透波率T2可用式(1)表示，透波率也稱為功率傳輸系數(shù)。

(1)

天線罩的好壞極大程度上由透波率決定，透波率直接影響到天線工作的作用距離，天線罩的透波率越高，信號的衰減越少，天線的工作距離就會越遠。表1為不同類型天線罩對透波率的要求。

表1 常見天線罩透波性率

1.3 影響透波率因素

天線罩的罩壁是一個非常復雜的結(jié)構(gòu)，不同種類的天線罩的設(shè)計和制作工藝也有很大區(qū)別，不同結(jié)構(gòu)的天線罩會使電磁波在它內(nèi)部傳輸和投射的特性千差萬別。對于天線罩而言，它的電學性能一般由其電學厚度所決定，而電學厚度又跟天線罩的結(jié)構(gòu)厚度、介電性能(損耗角的正切值和介電常數(shù))、能量損耗、工作頻率、結(jié)構(gòu)形式等多方面因素有關(guān)[3-4]。

1.3.1 結(jié)構(gòu)厚度

天線罩的結(jié)構(gòu)厚度對其電學性能的影響是成指數(shù)級變化的，不同型號的天線罩使用的材料厚度都有嚴格的規(guī)定。天線罩想要在毫米波段獲得高的透波性能，必須設(shè)計特殊的物理結(jié)構(gòu)，減小其結(jié)構(gòu)厚度，比如夾層結(jié)構(gòu)、單層薄壁結(jié)構(gòu)等。薄壁結(jié)構(gòu)要求天線罩的結(jié)構(gòu)厚度要小于電磁波波長的1/20，假設(shè)天線工作的頻帶為2～18 GHz時，設(shè)計出來的天線罩的結(jié)構(gòu)厚度應當小于1 mm，雖然這樣可以滿足對天線罩透波率的要求，但是無法承受飛行器飛行時的高速運動引起的巨大壓力，其強度不足以保護內(nèi)部的天線正常工作，這種結(jié)構(gòu)只能在對結(jié)構(gòu)強度要求不高的場合中使用。

1.3.2 介電性能

當介質(zhì)材料處于交變的電磁場之中時，其本身會反復被極化，這才引發(fā)了材料的介電性能，而在其受到極化以后，會產(chǎn)生一種電荷，名叫受敷電荷，這種電荷的組合形成的電場方向與原電場方向是相反的，也就是說外加電場受到了削弱[4]。電介質(zhì)的介電性能與選用的透波材料的電阻率、損耗角正切和介電常數(shù)有關(guān)。在計算材料的透波性能時，電阻率不能用來評價微觀電性能的變化，常使用損耗角正切tanδ和介電常數(shù)ε來描述。電磁波在介質(zhì)中傳輸時的反射系數(shù)與介電性能的關(guān)系如下：

(2)

可見，材料的介電常數(shù)越大，電磁波在天線罩內(nèi)受到的反射越大，此時透波率會受到影響，并且大的介電常數(shù)要求的天線罩結(jié)構(gòu)厚度就要更薄，因此也影響了其力學性能。

1.3.3 能量損耗

現(xiàn)代新型材料一般都具有低介質(zhì)損耗的特點，工程上天線罩采取這類材料可以有效地提高它的工作性能，使其具有較低的吸收率和反射率、較高的透波率。電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播，遵守相應的能量守恒規(guī)律：

|T|2+|R|2+L=1

(3)

對于一般的極化波而言，其電磁波的能量損失L與波長有如下關(guān)系：

(4)

由此可知，tanδ越大，電磁波在介質(zhì)中傳輸時的熱損耗也就越大，為了保證傳輸效率，必須要求透波材料的介電常數(shù)和損耗角正切值要小。

2 透波率測試系統(tǒng)

常見的天線罩電性能測試方法有搜零法與電子定標法，兩者各有優(yōu)缺點[5-6]。搜零法的精度較高，因為其本身能夠?qū)⒄`差的電壓放大處理，但是設(shè)備較大，搜零系統(tǒng)的響應時間長，以此帶來的是誤差的滯后性。而電子定標法由于系統(tǒng)簡化了不少，所以不存在動態(tài)響應的問題，可是它不是一個動態(tài)的調(diào)節(jié)過程，會產(chǎn)生實驗誤差的積累，這就要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性必須足夠高才可以降低誤差。類似的天線罩電性能測試方法還有很多，如動態(tài)跟蹤法、旋轉(zhuǎn)天線法等等，每一種方法都有其獨特的優(yōu)勢，可以根據(jù)需要在測試時選取適合的方法[7]。

本文采用微波暗室下的天線遠場測試系統(tǒng)測量天線罩電性能，該系統(tǒng)可以在無反射波、無背景噪聲的條件下對天線罩的透波率能進行測試，可測頻帶范圍廣、測量參數(shù)多、實驗的精度高。

2.1 天線遠場測試系統(tǒng)

如圖2所示，天線遠場測試系統(tǒng)是在基于微波暗室的場地上構(gòu)建完成的，能夠滿足一定頻率范圍和尺寸結(jié)構(gòu)的天線方向性測試需求，通過合理的方案設(shè)計，也可進行天線罩的常用電性能參數(shù)的精確測試。天線遠場測試系統(tǒng)中主要包括：

1)測試用轉(zhuǎn)臺系統(tǒng);2)標準發(fā)射天線和接收天線;3)天線自動測量系統(tǒng);4)矢量網(wǎng)絡分析儀;5)主控計算機;6)待測機載天線罩;7)射頻電纜。

圖2 A 天線遠場測試系統(tǒng)組成

天線遠場測試系統(tǒng)采用AV3672B型矢量網(wǎng)絡分析儀作為測試數(shù)據(jù)采集儀器，與安裝好的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)和被測天線罩搭配起來使用，通過總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜嬎銠C中，為了讓主控計算機能夠采集數(shù)據(jù)，還在主控計算機中安裝了相關(guān)的數(shù)據(jù)采集程序。采用微波暗室下的天線測量系統(tǒng)測試天線罩電性能具有以下優(yōu)點：

1)系統(tǒng)的頻帶較寬，能夠?qū)崿F(xiàn)0.1～40 GHz頻帶內(nèi)的透波率的測試。能夠測量電長度在符合測試系統(tǒng)要求范圍內(nèi)機載天線的方向圖、增益、3 dB帶寬等參數(shù)。

2)采用了電磁屏蔽技術(shù)。該天線遠場測試系統(tǒng)安裝于微波暗室內(nèi)，利用了屏蔽殼體，屏蔽門以及特殊的吸波材料，不僅滿足了暗室內(nèi)的無反射效果，還保證了電磁屏蔽效果符合預期的設(shè)計要求。

3)實現(xiàn)了測試儀器的控制。通過將標準SCPI命令通過GPIB總線發(fā)送給矢量網(wǎng)絡分析儀，實現(xiàn)對測試參數(shù)的控制。通過RS232對轉(zhuǎn)臺的單片機發(fā)送控制指令，完成對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速和角度的控制。

4)采用了基于時域校準算法的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。天線遠場測試系統(tǒng)的測試軟件對測試數(shù)據(jù)進行分析時采用了時域校準算法，有效抑制了系統(tǒng)噪聲，減小毛刺，提高了測試精度和動態(tài)范圍。

2.2 透波率測量方法

搭建如圖3所示的天線罩測試架構(gòu)，發(fā)射天線使用系統(tǒng)配套的喇叭天線，接收天線使用被測的平面螺旋天線，被測天線罩為平面螺旋天線配套天線罩。

圖3 天線罩透波率測試原理圖

將發(fā)射天線與矢網(wǎng)1端口相連，接收天線與矢網(wǎng)2端口相連。測試時必須保證發(fā)射支架的中心與接收支架的中心0°對準，兩個支架之間必須要有合適的距離，距離過大會引起電磁波衰減過多，距離過小則導致前后兩次接收電磁波的方向圖差別較小不具備可比性。為了滿足天線遠場測試系統(tǒng)的要求，兩個支架間的距離由公式(5)得出：

R≥(D1+D2)2/λ

(5)

其中：fm為測試的最低頻點，c為光傳播的速度，λ為發(fā)射的電磁波波長，D1為發(fā)射天線的直徑，D2為接收天線的直徑，R為兩個支架之間的距離。

遠場測試系統(tǒng)中，信號增益等于接收天線接收信號的功率與發(fā)射天線發(fā)射信號功率的比值，矢網(wǎng)分析儀通過總線可以接收到信號的增益，可以通過S21參數(shù)獲得，計算方法如(式)6所示。式中，Pr是接收天線的信號功率，Ps是發(fā)射天線發(fā)射的功率大?。?/p>

(6)

分別測量接收天線在裝配和卸載被測天線罩兩種情況下矢網(wǎng)分析儀的S21參數(shù)，記為S21(有)，S21(無)根據(jù)式(1)(6)、(8)，推導出透波率計算公式如式(7)所示：

|T|2=10(S21(有)-S21(無))*100%

(7)

通過該系統(tǒng)，可以實現(xiàn)不同極化方式、不同入射方向、不同頻率變化下的透波率測試，測試流程如圖4所示。

圖4 天線罩透波率測試流程圖

3 入射角度對小型天線罩透波率影響測試

選用某型機載測向天線及配套天線罩為測試樣品，該天線為平面螺旋天線，其天線罩的材料是玻璃鋼材質(zhì)，屬于A-夾層結(jié)構(gòu)天線罩，其外形為蛋卵形，如圖5所示。該天線罩外形尺寸較小，表面曲率較大，部位結(jié)構(gòu)較為復雜，可能會對電磁波在介質(zhì)中的傳輸產(chǎn)生影響，從而導致天線的方向圖產(chǎn)生畸變，影響透波率。

圖5 平螺天線及加罩后實物圖

由于平螺天線的工作頻率是2～18 GHz，隨著工作頻率的增大，天線方向圖在后向上會發(fā)生嚴重畸變，有的時候數(shù)據(jù)會產(chǎn)生跳點，并且接近天線的頻率上限時，數(shù)據(jù)的可靠性會極大下降。因此，測試頻率范圍設(shè)置為2～16 GHz。

接下來利用該系統(tǒng)測試該型天線罩進行測試，研究電磁波入射角度和頻率，對天線罩透波率的影響。

3.1 典型頻率下入射角度對透波率影響測試

根據(jù)雙臂螺旋線的理論分析，在2～18 GHz內(nèi)的寬帶范圍內(nèi)，后向輻射一部分經(jīng)背腔反射后，輻射將直接影響前向輻射，會導致天線方向圖發(fā)生畸變。在工作頻率較低的時候，后向輻射絕大部分可以被利用起來，在工作頻率增大的時候，方向圖的嚴重畸變會影響后向天線罩透波率的測量效果。因此，選取2 GHz，6 GHz，12 GHz三個具有代表性的頻點，對入射波入射角在前向-60°～+60°變化時的透波率進行測試，透波率隨角度的變化情況如圖6所示。表2列出了在2 GHz，6 GHz，12 GHz頻點典型入射角時透波率大小。

圖6 頻率固定時天線罩透波率隨不同入射角的變化曲線

表2 天線罩不同入射角下透波率的變化

可以看出，頻率較低的情況下，天線罩的透波率保持在[90%，98%]之間，表現(xiàn)出了良好的透波性能，平螺天線接收信號的性能幾乎不受天線罩的影響，這說明在低頻段該天線罩可以較好的滿足透波率要求。隨著頻率的升高，入射角度對天線罩的透波率影響逐漸明顯，尤其是在頻率為12 GHz時，透波率在0°時達到最大值。隨著入射角的變大，透波率在0°～±30°內(nèi)出現(xiàn)下降趨勢。這說明，電磁波在介質(zhì)中傳輸?shù)妮椛涮匦猿霈F(xiàn)不同程度的波動，當頻率升高時，天線罩的外形和結(jié)構(gòu)參數(shù)會對透波率造成一定影響。

3.2 典型角度下頻率對透波率影響測試

為了進一步研究不同角度下頻率變化對透波率的影響，選取±0°、±30°、±60°、±90°入射角度下測試不同頻率下時透波率的變化情況，如圖7所示。

從圖(a)中我們可以看出，當入射角度為0°，即接收天線正對發(fā)射天線時，天線罩的透波率隨頻率的升略有下降，但變化趨勢不明顯，相比之下，對比圖(b)，(c)，(d)，隨著入射角的變大，頻率的升高對天線罩的透波率影響非常大，在較高頻段，大入射角情況下，天線罩的透波率有時甚至低于20%，已經(jīng)嚴重影響到了平螺天線的正常工作，這說明了在設(shè)計天線罩的電性能的過程中，必須對頻段較高時的天線罩的透波率是否達到指標要求列為考慮的重要因素，特別是此時天線罩的外形和結(jié)構(gòu)特征會對不同角度入射的電磁波產(chǎn)生不同程度的輻射，對天線罩的透波率影響較大。

綜合3.1與3.2的測試結(jié)果分析，得出的綜合結(jié)論如下：

1)入射角較小時，頻率的升高對天線罩的透波率影響不大，在發(fā)射天線與接收天線正對的情況下，透波率在所有頻點上基本保持90%以上，滿足天線罩的透波率要求。在大入射角的情況下，天線罩的透波率會隨著頻率的升高急劇下降，尤其是90°以上時，透波率有時不到50%，導致平螺天線在沒有正對目標時接收電磁波的效率降低，極大限制了天線的作用距離和測向精度，這是由于在天線罩表面曲率大的時候，電尺寸參數(shù)會隨頻段升高而逐漸變大。

2)入射角度一定時，相同頻率下天線罩的不同表面的透波性能的區(qū)別也很大，這是由于天線罩在長期使用和維護后，部分空間可能出現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導致的。借助透波率測試可以通過對比透波率的變化判斷透波率下降的位置，從而針對性進行維護。

圖7 入射角一定時天線罩透波率隨頻率的變化曲線

3)由于平螺天線獨特的背腔結(jié)構(gòu)導致天線后部無天線罩覆蓋，后向輻射也不能被天線接收，會與前向輻射相互作用，在入射角度大于30°時，天線罩的曲率較大，使得天線罩在高頻段、大入射角的透波性能表現(xiàn)非常差。

4 結(jié)語

機載天線罩是飛機上用于保護天線的重要部件，它在保護天線的同時還要保持滿足天線發(fā)射接收的全部電性能要求，即對電磁波信號的傳輸要求具有最小的波瓣畸變和功率吸收，天線罩在設(shè)計、使用、維護中都需要關(guān)注的重透波率的情況。本文搭建了一種微波暗室下以天線遠場測試系統(tǒng)為主的天線罩測試平臺，推導了透波率測試方法，設(shè)計了測試流程，并通過該系統(tǒng)對某型機載小型天線罩的實物測試。掌握入射角及頻率等對天線罩透波率的影響特性，一方面可以改進天線罩的外形設(shè)計，另方面可以針對性的指導天線罩的使用維護，這對于提高天線系統(tǒng)的整體性能具有十分重要的意義。