基于變厚度設(shè)計的引信天線罩優(yōu)化方法

黃 巖，劉忙龍，黎 雄，紀(jì) 濤

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

天線罩是保護(hù)無線電引信在自然環(huán)境下能夠正常工作的必要結(jié)構(gòu)，常見的引信天線罩是由天然或人造電介質(zhì)材料構(gòu)成的圓錐狀物體，例如聚四氟乙烯單介質(zhì)引信天線罩[1]。當(dāng)電磁波穿過天線罩壁時，不同的入射角，不可避免地就會引起天線的輻射方向圖畸變。在毫米波段，由于波長短，這種畸變更加明顯。最為嚴(yán)重的是在引信天線探測的有效角度內(nèi)往往會出現(xiàn)較為明顯的主瓣方向圖凹陷，這種凹陷的實質(zhì)是電磁波透射天線罩時對不同入射點(diǎn)的傳輸效率不同[2-3]。為了抗熱燒蝕，天線罩就要加厚，而天線罩的加厚將會更大程度上影響天線的輻射性能和接收性能，從而使得引信的探測性能下降，因此研究其對引信天線電磁波輻射性能的影響就顯得尤為重要。

文獻(xiàn)[4]針對飛機(jī)電掃描天線，提出了采用多層材料夾層結(jié)構(gòu)形式的天線罩，可以調(diào)節(jié)點(diǎn)掃描天線主極化方向的功率透過系數(shù)；文獻(xiàn)[5]針對寬頻帶內(nèi)的波束特征，仿真分析確定了單層空心石英纖維增強(qiáng)氮化物陶瓷基復(fù)合材料的最佳尺寸厚度，但此種方式成本高，且材料本身無法適應(yīng)彈載高速飛行時的環(huán)境；文獻(xiàn)[6]采用引信天線罩涂層技術(shù)，在防靜電和表面電阻的測試方法方面做了研究，對較低頻率平板單點(diǎn)入射的透射情況做出了改善。上述的幾種改進(jìn)方式，有的是在天線源可調(diào)的情況下改進(jìn)介質(zhì)材料，有的對天線罩表面進(jìn)行改進(jìn)，但是針對平板或者多層介質(zhì)的情況，且在毫米波段效果較差。因此，本文針對引信天線外覆蓋的單介質(zhì)天線罩，在電磁波透過時出現(xiàn)方向圖畸變的問題，提出通過變厚度形式的引信天線罩優(yōu)化方法。

1 引信天線罩電性能影響因素分析

1.1 引信天線罩的電性能評價參數(shù)

引信天線罩作為天線罩的一種特殊形式，其較為關(guān)鍵的電性能評價參數(shù)主要包括以下幾點(diǎn)：

1) 功率傳輸系數(shù)(傳輸效率)：有時也被稱作透波率，是特定的某一頻點(diǎn)入射波的情況下，加天線罩材料接收到的最大功率P1與沒有天線罩材料時天線接收的最大功率P0之比。也即加天線罩后引起的主瓣峰值變化。

2) 插入相位移(IPD)：是指天線罩對平面波不僅產(chǎn)生損耗，還產(chǎn)生相位延遲。插入相位移與天線罩的結(jié)構(gòu)、材料介電常數(shù)、平面波的入射角、極化、頻率有關(guān)。

3) 波束寬度變化：是指加天線罩與不加天線罩時的-3 dB主瓣寬度的變化。

1.2 電磁透射單層介質(zhì)的因素分析

引信天線罩實質(zhì)上就是一種有特殊要求的天線罩，考慮到成本和加工因素，引信天線罩一般采用單層均勻介質(zhì)。作為一種天線罩，其性能可以用單層介質(zhì)平板的傳輸和反射原理來進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 天線罩平板近似示意圖Fig.1 Radome slab approximate sketch map

電磁波在平板上的反射情況如圖2所示。電磁波從空氣進(jìn)入天線罩材料就是在不同介質(zhì)間傳輸，空氣的介電常數(shù)為ε1，磁導(dǎo)率為μ1；天線罩材料的介電常數(shù)為ε2，磁導(dǎo)率為μ2。

圖2 平面波在平板上的反射情況Fig.2 The reflection characteristics of palne-wave on slab

電磁波入射到單層介質(zhì)表面，水平極化波和垂直極化波的傳輸系數(shù)為：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中，ε1=ε0=8.85×10-12F/m。天線罩材料為聚四氟乙烯(Teflon)，其相對介電常數(shù)為εr=2.1(ε2=εrε0)。

從上面的兩種情況可以看出：不論天線發(fā)射的電磁波極化方式如何，θi在-90°～0°范圍內(nèi)，cosθi逐漸增大，且大于0；sinθi逐漸增大，且小于0。θi在0°～90°的范圍內(nèi)，cosθi逐漸減小，且大于0；sinθi逐漸減小，且大于0。兩種極化方式的入射波傳輸系數(shù)是角度的函數(shù)。很明顯，當(dāng)入射角為0°時，TH約為82%，TV約為82%。當(dāng)入射角為-90°時，RH=RV=-1,也即傳輸系數(shù)為1。由于波導(dǎo)天線的有效波束寬度在E面、H面均在-55°～55°的范圍之間，天線的中心垂直投影是在天線罩側(cè)壁上。有效波束寬度內(nèi)，電磁波沒有垂直入射的情況。天線罩頂部是均勻的單層平板結(jié)構(gòu)，電磁波入射點(diǎn)從內(nèi)頂點(diǎn)A到內(nèi)頂點(diǎn)B的范圍內(nèi)都屬于斜入射，入射角度在逐漸增大。從B點(diǎn)到D點(diǎn)的入射角在逐漸減小(D點(diǎn)是垂直入射點(diǎn))，從A點(diǎn)到C點(diǎn)入射角也是逐漸減小。

天線罩的插入相位移(IPD=φi-2πdcosθ/λ，φi=kdi表示傳輸相位，d表示介質(zhì)厚度)對于波的傳輸?shù)挠绊?，不同的入射點(diǎn)對應(yīng)了不同的透射距離，就會產(chǎn)生相位差。

2 基于變厚度形式的引信天線罩優(yōu)化方法

2.1 單介質(zhì)引信天線罩的變厚度參考模型

K波段引信天線罩設(shè)計首先需要確定天線輻射源的形式及相對引信天線罩的位置關(guān)系。本文所采用引信與天線的位置關(guān)系如圖3所示，發(fā)射天線與接收位于天線軸兩側(cè)。

圖3 參考模型Fig.3 The reference model

研究發(fā)射天線在加載天線罩后的電磁輻射特性，就能夠?qū)μ炀€罩影響做出分析。本文仿真使用是K波段具有微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的雙面階梯波導(dǎo)口天線[7]，發(fā)射天線波束寬度H面方向圖(φ=0°)為108.44°，E面方向圖(φ=90°)為62.82°。天線位置的偏向放置必然導(dǎo)致輻射方向圖的不均勻性，其不均勻性還與天線的極化方式有關(guān)。波導(dǎo)口天線的方向性較強(qiáng)，天線罩結(jié)構(gòu)的不對稱性會引起電磁波透射結(jié)果的不對稱性。根據(jù)要求，本文設(shè)計并加工了常規(guī)的參考模型，如圖4所示，參考模型的尺寸如表1所示。

圖4 參考模型的加工實物圖Fig.4 The real product of reference model

表1 參考模型尺寸Tab.1 Size of the reference model

通過使用三維電磁仿真軟件HFSS對其建模仿真，我們得到加載參考天線罩的電磁輻射情況可以用圖5的平面方向圖和三維輻射圖來表示，這樣我們得到了各個角度點(diǎn)的傳輸損耗。圖5是加載參考模型的天線方向圖，關(guān)鍵角度點(diǎn)的增益如表2所示。

圖5 加載參考模型的天線方向圖Fig.5 Antenna pattern with the reference model

表2 加載參考模型的輻射角度方向圖增益Tab.2 Radiation angle pattern gain with the reference model

矩形波導(dǎo)口天線，與加載參考模型后的電磁輻射方向圖相比，有效波束寬度內(nèi)的天線方向圖發(fā)生惡化。尤其當(dāng)θ為-50°左右、17°左右時，波束角度點(diǎn)增益變?yōu)?7.7 dB，相比于最大輻射增益直接衰減了14 dB。因此對于波導(dǎo)口天線來說加載天線罩后，在低于0 dB的輻射范圍內(nèi)，入射角11°～22°內(nèi)發(fā)射功率直接衰減。在實際測試過程中，由于各種損耗增加，衰減范圍會進(jìn)一步增大。

圖6是有無加載天線罩的E面(φ=90°)方向圖，圖7是有無加載天線罩的H面(φ=0°)方向圖。圖8是參考模型的實測圖。從圖中可以看出，參考模型在天線垂直極化的情況下，方向圖凹陷特別嚴(yán)重，反射系數(shù)最高的點(diǎn)，增益降低接近9 dB。水平極化方向圖凹陷較為嚴(yán)重，透射率最低的點(diǎn)增益相對降低約為2 dB。與參考模型的實測圖對比可以看出，方向圖的凹陷基本與仿真情況相似，實測過程采用的不是極化匹配的測量天線，測量有一定的誤差。

圖6 有無參考模型條件下的天線E面方向圖Fig.6 Antenna E-plane pattern with and without thereference model

圖7 有無參考模型條件下的天線H面方向圖Fig.7 Antenna H-plane pattern with and without the reference model

圖8 加載參考模型實測天線方向圖Fig.8 The measured pattern with the reference model

2.2 基于參考模型的變厚度優(yōu)化方法

天線罩材料和側(cè)壁厚度及頂部厚度確定后，參考模型的仿真和測試結(jié)果均表明：單層介質(zhì)天線罩對天線方向圖的影響很大，且與入射角密切相關(guān)。由于引信天線的天線罩是一種比較基本的單層介質(zhì)，且成本和加工難度是必須考慮的問題，所以不能像雷達(dá)罩一樣在材料的填充和涂層上進(jìn)行修改。對天線罩內(nèi)部優(yōu)化的主要目的是在于提高天線方向圖的平滑性，減小方向圖凹陷。電磁波在入射到天線罩壁上的入射角隨著天線罩位置點(diǎn)的變化而變化，采用常用的等厚度設(shè)計不能滿足所有入射點(diǎn)的最佳傳輸。垂直極化分量的傳輸效率對厚度十分敏感，需要根據(jù)入射角的不同采取相應(yīng)的措施，改變天線罩內(nèi)部厚度。

由于天線罩內(nèi)壁電磁波入射角的范圍分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律，如圖9所示。天線中心在天線罩壁的投影位于AC邊上。很明顯從天線罩的截面圖可以看出天線左側(cè)的入射角明顯較大。采用變厚度設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)是對功率反射系數(shù)和IPD的綜合優(yōu)化，在指定的極化和入射角范圍內(nèi)得到最小的反射系數(shù)，并且盡量縮小相位移的差距。對于參考模型，要解決方向圖頂部的凹陷問題，必須避免在一定角度范圍內(nèi)沒有探測信號的問題。

圖9 天線罩內(nèi)部電磁波入射點(diǎn)Fig.9 The incidence point of electromagnetic wave in the radome

引信天線罩是沿軸Z方向的一個圓臺結(jié)構(gòu)。天線罩上部入射角較大，根據(jù)參考模型的仿真結(jié)果對天線罩進(jìn)行變厚度設(shè)計，縮小入射波的入射角。在有效范圍內(nèi)(-55°～55°)，入射角θ的絕對值|θ|越大，介質(zhì)厚度相對越大，相位移越小。發(fā)射天線的偏軸心放置，考慮天線罩加工過程中的難度，天線罩的變厚度設(shè)計基于對稱結(jié)構(gòu)。天線輻射角為0°時，天線罩頭部區(qū)域的入射角較小，中后部入射角較大，為了均衡天線罩引起的相位變化，頭部采用過渡區(qū)線性漸變的結(jié)構(gòu)設(shè)計。使用HFSS對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，經(jīng)過多次的仿真驗證，在內(nèi)部相對高度ΔH從40.3 mm到25.3 mm做漸變設(shè)計時，天線的E面和H面輻射性能更好，天線罩的傳輸系數(shù)沒有極端低值。

3 仿真及驗證

為了驗證上述優(yōu)化方法的可行性，本文利用全波電磁仿真軟件(HFSS)，對頂部一次變厚度設(shè)計優(yōu)化的天線罩模型進(jìn)行了仿真分析。仿真分析K波段波導(dǎo)口徑天線加裝頂部變厚度設(shè)計的天線罩模型，模型結(jié)果如圖10所示，得到的方向圖如11所示。

圖10 頂部變厚度設(shè)計的HFSS模型Fig.10 HFSS model of variable design on top

圖11 頂部變厚度設(shè)計的仿真結(jié)果Fig.11 The simulation result of variable design on top

通過仿真可以得出：天線罩上部的變厚度設(shè)計使得天線方向圖中E面和H面方向圖在-45°～70°的增益均大于0；有效波束寬度內(nèi)的方向圖最低傳輸系數(shù)接近60%；方向圖的凹陷增多，方向圖最大增益為8.13 dB，0°～55°范圍內(nèi)，H面方向圖最低凹陷處增益為4.12 dB，E面方向圖最低凹陷為3.82 dB。由于天線E面位于Y軸上，因此方向圖對稱分布。由此可見，提高不同入射點(diǎn)的整體增益有助于降低整體反射系數(shù)，反射造成了天線最高輻射點(diǎn)增益的提高。

進(jìn)一步采用漸變的厚度設(shè)計，均衡天線罩內(nèi)壁的入射角度和天線罩的厚度。單層介質(zhì)的天線罩不能采用減小天線罩的初始厚度來降低天線罩對天線方向圖的惡化程度，且考慮到成本問題，材料堆積和涂層技術(shù)不納入考慮范圍。采用更多的內(nèi)壁漸變設(shè)計，減小下部電磁波入射角。其過渡帶位置是在高度20.3～25.3 mm和40.3～50.3 mm。為了平衡下部的入射角度，且要便于加工，按照波的傳輸性分析，中部的被動漸變設(shè)計使得一次反射波更加集中在頭部的過渡帶，相當(dāng)于一個二次優(yōu)化過程。

按照設(shè)計方式建立仿真模型，圖12是天線罩變厚度設(shè)計的三維結(jié)構(gòu)模型圖。

圖12 二次變厚度設(shè)計的模型立體圖Fig.12 The model space graph of second variable design

通過三維電磁仿真軟件HFSS的仿真分析，得到的天線仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 二次變厚度設(shè)計的天線方向圖Fig.13 The pattern of the second variable design

對比參考模型的方向圖凹陷和變厚度設(shè)計后的天線罩方向圖，圖14是有無天線罩、參考模型和二次變厚度設(shè)計天線罩對天線方向圖的影響對比結(jié)果。

圖14 優(yōu)化前后的對比結(jié)果Fig.14 The result before and after optimization

從圖中可以看出，通過天線罩內(nèi)壁的變厚度設(shè)計，可以顯著降低天線罩對天線方向圖的影響。波導(dǎo)口天線的H面和E面半功率波束寬度為108.44°、62.82°。加載最終變厚度優(yōu)化后的天線罩模型，H面方向圖出現(xiàn)較低幅度的波動，天線方向圖波束沒有收窄，半功率波束寬度滿足108°的探測范圍，E面方向圖沒有波動較為明顯，但相較參考模型，有了較大改善。二次優(yōu)化后的天線罩模型，天線方向圖相比于參考模型有較大變化，最低輻射角度增益為3.17 dB，沒有極端低值。天線罩在有效波束寬度內(nèi)的傳輸系數(shù)由-73%提高到40%。

二次優(yōu)化后的天線罩模型經(jīng)過了實驗室實測，測試是基于引信的輻射信號處理測試解算的，測試性能較原參考模型有較大改善，未出現(xiàn)極端方向的信號大幅度衰減。后續(xù)將進(jìn)行暗室測試，對該模型的傳輸效率做出標(biāo)定。

在強(qiáng)度方面，本文設(shè)計的優(yōu)化后的天線罩是應(yīng)用于低過載彈藥引信頭部，參考模型可以滿足使用需求。而優(yōu)化后的引信天線罩總體厚度是基于參考模型的厚度進(jìn)行的加性設(shè)計，優(yōu)化后的天線罩頭部、側(cè)壁厚度均大于同位置的參考模型尺寸。同時，天線罩加工中在應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行了圓滑加工，頭部及側(cè)壁均勻受壓，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足低過載彈藥引信的使用要求。

4 結(jié)論

本文提出了基于變厚度形式的引信天線罩優(yōu)化方法，該方法首先設(shè)定參考模型，在分析位置固定的引信天線透過天線罩的入射角度后，采用可變厚度的優(yōu)化方法，調(diào)整電磁波的入射角，減小入射相位差，以此來提高電磁波的透射效率，改善天線加載天線罩后的方向圖。仿真結(jié)果表明：通過天線罩內(nèi)壁的變厚度設(shè)計，可以顯著降低天線罩對天線方向圖的影響。最終優(yōu)化后的天線罩仿真結(jié)果最低輻射角度增益為3.17 dB，沒有負(fù)值。天線罩在有效波束寬度內(nèi)的傳輸系數(shù)由-73%提高到40%。該方法對提升單層電介質(zhì)引信天線罩透射效率具有低成本，易實現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。