陣列天線波束對透波罩功率傳輸系數(shù)的影響分析

岳 松，李 翔，戚向波，王傳兵，周永鑫，潘 蕊

(北京航天長征飛行器研究所,北京 100076)

0 引言

透波罩是精確制導(dǎo)飛行器的一個重要部件，位于飛行器的最前端。一方面，透波罩維持飛行器的氣動外形，承載著最嚴(yán)酷的力熱環(huán)境，滿足承載和隔熱的需求；另一方面，透波罩是雷達(dá)導(dǎo)引頭電磁波進(jìn)出的窗口[1,2]。因此，透波罩在承載和隔熱使用需求的前提下，透波設(shè)計更為重要。

導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)飛行器的眼睛，透波罩就是導(dǎo)引頭的護(hù)目鏡。導(dǎo)引頭的功率和增益決定了導(dǎo)引頭的探測距離，但電磁波透過透波罩后都會產(chǎn)生反射和衰減，因此透波罩的功率傳輸系數(shù)對探測距離有著直接且顯著的影響。因此，提高透波罩的功率傳輸系數(shù)，對于提高導(dǎo)引頭的距離和作戰(zhàn)效能具有重要的意義[3,4]。

常用的導(dǎo)引頭有機(jī)械掃描和相控陣兩種形式。目前，機(jī)械掃描導(dǎo)引頭在末制導(dǎo)飛行器中獲得廣泛應(yīng)用，由導(dǎo)引頭天線、機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)和發(fā)射機(jī)等元器件組成，天線口面通過伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動獲取不同的朝向，實現(xiàn)對不同目標(biāo)的追蹤。機(jī)械掃描導(dǎo)引頭波束始終與天線口面垂直，波束增益、3dB波束寬度等主要指標(biāo)不隨天線掃描角變化，便于透波罩的設(shè)計。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，相控陣導(dǎo)引頭逐漸被采用。相控陣導(dǎo)引頭具有功率密度大、電掃描快速跟蹤、多目標(biāo)信息提取、空時自適應(yīng)信號處理、自適應(yīng)抗干擾、體積小和可靠性高等多種技術(shù)優(yōu)勢，是精確制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)展方向[5,6]。平面相控陣導(dǎo)引頭天線口面與透波罩的相對位置不變，通過波控器調(diào)整波束指向，波束增益、3dB波束寬度等主要指標(biāo)隨掃描角會有所變化，從而給透波罩透波設(shè)計帶來了新的問題。

功率傳輸系數(shù)是透波罩損耗引起的主瓣峰值電平的變化，通常采用有罩和無罩時天線增益最大值之差來表示。天線介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)簡單，易于進(jìn)行透波率計算和仿真，透波罩通常為曲面結(jié)構(gòu)，對于曲率較小的結(jié)構(gòu)，平板結(jié)構(gòu)與透波罩透波性能較為接近，可以采用平板結(jié)構(gòu)對透波罩進(jìn)行等效分析。文章采用介質(zhì)平板作為研究對象，分別針對機(jī)械掃描天線(以下簡稱機(jī)掃天線、MSA)和平面相控陣天線(以下簡稱相掃天線、PAA)開展透過介質(zhì)平板的遠(yuǎn)場方向圖仿真，獲取機(jī)掃、相掃天線下介質(zhì)平板的功率傳輸系數(shù)，分析天線掃描角、波束入射角對功率傳輸系數(shù)的影響，并給出了提高采用相掃天線的透波罩功率傳輸系數(shù)的優(yōu)化方法。

1 機(jī)掃天線和相掃天線波束寬度對比

由于透波罩功率傳輸系數(shù)采用的有罩、無罩時天線的增益差，因此功率的絕對值對功率傳輸系數(shù)沒有影響，而波束寬度是影響功率傳輸系數(shù)的主要參數(shù)。機(jī)掃天線波束始終與天線口面垂直,各掃描角波束寬度一致，波束關(guān)于中心軸線具有良好的對稱性；相控陣導(dǎo)引頭主要采用平面陣列，通過波控器調(diào)整波束指向，除0°掃描角外，各掃描角波束與天線口面均有一定的夾角。某機(jī)掃、相掃天線不同掃描角對應(yīng)的3dB波束寬度如圖1所示。

圖1 機(jī)掃、相掃天線波束寬度隨掃描角變化圖

從圖1可以看出，小角度下相掃天線3dB波束寬度與機(jī)掃天線一致，隨著掃描角的增大，波束寬度迅速展寬。因此，采用機(jī)掃天線與相掃天線得出的透波罩功率傳輸系數(shù)也有所不同。

2 理論計算與仿真分析

2.1 平板結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真建模

將介質(zhì)平板代替透波罩作為分析對象，采用ku波段中心頻點15GHz作為計算中心頻率f0，開展介質(zhì)平板最優(yōu)厚度的理論計算與功率傳輸系數(shù)的仿真分析。介質(zhì)平板采用石英陶瓷類材料，相對介電常數(shù)為3.1，損耗忽略不計。介質(zhì)平板采取整階數(shù)的半波壁厚，單層平板最佳厚度由公式(1)給出。

(1)

其中，m為階數(shù)，λ為波長，εr為相對介電常數(shù)，θ為入射角。

當(dāng)m=3時，由公式(1)可得到不同入射角對應(yīng)的平板厚度。由于大入射角時介質(zhì)平板的功率傳輸系數(shù)對厚度變化較為敏感，因此選取50°入射角進(jìn)行設(shè)計，并選取0°入射角進(jìn)行對比。0°、50°入射角對應(yīng)的最佳厚度分別為17mm和18.9mm。

采用不同3dB波束寬度的天線近場數(shù)據(jù)，用于介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)仿真。采用CST仿真軟件，建立了如圖2所示的仿真模型。仿真模型由天線和介質(zhì)平板組成，其中天線采用近場數(shù)據(jù)等效代替，介質(zhì)平板厚度由公式(1)給出。同時，通過旋轉(zhuǎn)天線的方式改變天線和介質(zhì)平板的夾角，獲取不同的天線掃描角和入射角。

2.2 小入射角仿真分析

首先采取機(jī)掃天線對0°入射角17mm厚介質(zhì)平板進(jìn)行仿真。各3dB波束寬度下f0-200MHz(f0-)、f0、f0+200MHz(f0+)三個頻點介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，該狀態(tài)下平板功率傳輸系數(shù)較大，部分超過了100%，這是由于天線透波平板后波束會出現(xiàn)一些變化，導(dǎo)致主瓣寬度會變窄或者變寬，主瓣增益增大或減小，對于主瓣增益增大的情況，功率傳輸系數(shù)會大于100%。但對于總能量而言，天線總的輻射能量不會增大。

采用相掃天線50°掃描角波束對0°入射角的介質(zhì)平板進(jìn)行功率傳輸系數(shù)的仿真。仿真模型如圖3右圖所示，即波束與介質(zhì)平板垂直而與天線口面有50°夾角，功率傳輸系數(shù)仿真結(jié)果如表2所示。

對比表1、表2可以看出，機(jī)掃、相掃兩種方式，小入射角狀態(tài)下，功率傳輸系數(shù)受3dB波束寬度影響不大。

表2 相掃天線小入射角介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)(%)

2.3 大入射角仿真分析

采取機(jī)掃天線對50°入射角18.9mm厚介質(zhì)平板進(jìn)行仿真。各3dB波束寬度下f0-200MHz(f0-)、f0、f0+200MHz(f0+)三個頻點介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)如表3所示。

從表3可以看出，采用機(jī)掃天線大入射角的介質(zhì)平板在各波束寬度下均獲得良好的功率傳輸系數(shù)，3dB波束寬度對功率傳輸系數(shù)無顯著影響。與表1相比，采用機(jī)掃天線的介質(zhì)平板入射角對功率傳輸系數(shù)的影響不大。

表3 機(jī)掃天線大入射角介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)(%)

針對相掃天線對50°入射角18.9mm厚介質(zhì)平板進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3的左圖所示，即天線與介質(zhì)平板平行，仿真結(jié)果見表4。

表4 相掃天線介質(zhì)平板大入射角功率傳輸系數(shù)(%)

從表4中可以看出，隨著3dB波束寬度的增大，采用相掃天線的介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)逐漸降低。對比表3與表4，同為50°入射角，相同3db波束寬度下，相掃天線得到的功率傳輸系數(shù)明顯小于機(jī)掃天線，波束寬度越大，差異越明顯。因此，相掃天線大掃描角、大入射角時，波束寬度對功率傳輸系數(shù)有顯著影響，功率傳輸系數(shù)隨3db波束寬度的增大而降低。

2.4 相掃天線不同入射角仿真分析

為了進(jìn)一步驗證掃描角、入射角對功率傳輸系數(shù)的影響，采用相同波束寬度的相掃天線(約10°)，針對各入射角對應(yīng)的最佳厚度，開展相掃天線不同入射角功率傳輸系數(shù)的仿真，結(jié)果如表5所示。

表5 相掃天線介質(zhì)平板不同入射角功率傳輸系數(shù)(%)

從表5可以看出，相同波束寬度下，小入射角狀態(tài)下，相掃天線介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)隨入射角變化不大，隨著入射角的增大,相掃天線介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)逐漸降低。此外，根據(jù)f0-、f0、f0+三個頻點的仿真結(jié)果，大入射角下中心頻點的功率傳輸系數(shù)較優(yōu)，說明盡管此時功率傳輸系數(shù)降低，但厚度始終處于較為匹配的狀態(tài)。

2.5 相掃天線不同厚度仿真分析

由于相掃天線大掃描角、大入射角的工作狀態(tài)不可避免，嘗試采用改變厚度的方式提高功率傳輸系數(shù)。采用同一相控陣波束在50°入射角下對不同厚度介質(zhì)平板進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 相掃天線不同厚度介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)(%)

從表6可以看出，相控陣波束在50°入射角下，介質(zhì)平板加厚或減薄均無法提高平板的功率傳輸系數(shù)，進(jìn)一步驗證了半波壁厚設(shè)計方法同樣適用于相掃天線大入射角大掃描角工作狀態(tài)。

綜上所述，在一定3dB波束寬度范圍內(nèi)，機(jī)掃天線平板功率傳輸系數(shù)與波束寬度無關(guān)；相掃天線小入射角、小掃描角時平板功率傳輸系數(shù)與波束寬度關(guān)系不大，在大入射角、大掃描角下，功率傳輸系數(shù)隨著波束寬度和入射角的增大而迅速降低，且無法通過優(yōu)化厚度改善。

3 天線方向圖對比分析

介質(zhì)平板的功率傳輸系數(shù)是通過比較天線加介質(zhì)平板(有罩)方向圖和單天線(無罩)方向圖的增益得到的，從有罩、無罩的天線方向圖中也可以分析出大入射角大掃描角下相掃天線介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)下降的原因。選取50°入射角的機(jī)掃、相掃兩種狀態(tài)，比較有罩、無罩兩種狀態(tài)的天線方向圖，如圖3所示。

圖3 天線方向圖對比

從圖3中可以看出，機(jī)掃天線有罩、無罩兩種狀態(tài)下天線方向圖基本無畸變，方向圖對稱性良好，主瓣寬度和副瓣電平均無明顯變化；相掃天線無罩狀態(tài)下天線方向圖左右存在明顯不對稱，有罩狀態(tài)下主瓣寬度明顯變窄，副瓣顯著提高，對導(dǎo)引頭成像精度均會造成不利的影響。

4 透波罩設(shè)計建議

從第2、3節(jié)的分析可知，相掃天線在大入射角下功率傳輸系數(shù)下降，方向圖畸變嚴(yán)重，無法通過優(yōu)化厚度改善，這些不利因素均會影響導(dǎo)引頭的性能。因此，需要開展天線-透波罩的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計。一是采用相控陣天線的透波罩在設(shè)計時應(yīng)重點考慮重要的透波區(qū)域，相控陣天線采用一定的預(yù)置角，使重點透波區(qū)域處于天線的小掃描角，如圖4(a)所示。二是采用球面相控陣天線，使相控陣天線獲得與機(jī)掃天線一樣的波束性能，各個掃描角波束均保持良好的波束寬度和對稱性，如圖4(b)所示。兩種方案均需要進(jìn)行天線-透波罩協(xié)同優(yōu)化，使得天線在滿足熱環(huán)境使用要求的前提下，獲取足夠的艙內(nèi)空間。

(a) (b)

5 結(jié)論

本文針對采用相掃天線的透波罩在大掃描角、大入射角時功率傳輸系數(shù)下降的問題，開展了理論計算與仿真分析。結(jié)果表明：天線在一定波束寬度下，機(jī)掃天線平板功率傳輸系數(shù)與波束寬度無關(guān)，相掃天線平板在小入射角下功率傳輸系數(shù)與波束寬度關(guān)系不大，在大入射角下，功率傳輸系數(shù)隨著入射角和波束寬度的增大而迅速降低，且無法通過優(yōu)化厚度改善。采用一定的預(yù)置角的平面相控陣天線以及球面相控陣天線，通過天線-透波罩的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計可以解決這一問題。