夹层结构天线罩电性能优化设计

曾安民

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300；中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

天线罩是保护飞行器导引头天线在恶劣的环境下能正常工作的功能结构，它是由天然或人造电介质材料制成的覆盖物，或是由桁架支撑的电介质壳体构成的特殊形状的电磁窗口[1-2]。工程上应用较多的是多层夹心结构，中间芯层密度低，外层蒙皮层属于致密层，这样的结构不仅能够提供足够的力学性能，同时其宽频透波性能还非常优越。通过设计合理的芯层和表面厚度，使天线罩在天线整个扫描角范围内具有优良的传输透波性能[3-6]。本文针对C夹层天线罩结构，采用几何光学射线追踪法理论，研究通过天线罩罩壁变厚度结构设计来提高天线各扫描角度范围内天线罩透波性能。

1 理论分析

几何光学三维射线追踪法用的是标量克希霍夫衍射公式，它对大天线来说，线积分项可以忽略，所以计算结果将是比较精确的，特别是当天线面积大于75倍波长平方时，计算结果令人满意。综合考虑空气动力学及宽频透波性能要求，本文选择具有良好气动外形的C夹层正切卵形天线罩结构作为整体结构天线罩的分析对象。天线罩[7-8]的外形为旋转对称的正切卵形，其对应的函数写成如下形式：

上式中：R为生成圆弧的曲率半径；W为基础圆直径。

天线罩平板的透射系数采用传输矩阵法求出传输系数T与反射系数R：

电磁波入射到天线罩引起的共极化场透射系数和交叉极化场透射系数：

式（5）（6）中：TCO和TCR是天线罩的共极化和交叉极化透射系数；T∥和T⊥分别是入射场水平极化分量和垂直极化分量的透射系数；φM是电磁射线与天线罩入射点M的极化角。

在罩外等效口径上，将标量积分公式转化成离散求和的形式，口径上场分布为：

式（7）中：mn表示天线口径的离散化序数。

天线-天线罩系统远场辐射表达式如下。

未带罩辐射方向图：

带罩共极化辐射方向图计算式：

带罩交叉极化辐射方向图计算式：

2 结构优化

设定天线罩的长细比为2∶1，其中，长度L＝1 m，底部直径W＝0.5 m；天线为圆口径，天线半径a＝0.2 m；天线离天线罩底部距离L3＝0.3 m；天线工作频率为10 GHz。为减小计算量，简化计算过程，定义圆口天线电场极化方位指向天线坐标系的y方向，幅值大小恒定为1.对于均匀分布的圆口径天线，当水平位移角Ф＝0°时，其远区方向图为：

常规C夹层结构天线罩为等壁厚结构形式，材料选用常规CFRP材料。奇数蒙皮层的复介电常数为3.4－0.013 6j，厚度0.75 mm；偶数层的复介电常数为1.05－0.002 1j，夹层结构总厚度为6 mm。图1计算了该正切卵形等厚度C夹层结构天线罩的传输效率随天线在罩内扫描角变化的计算结果，功率传输效率在57%～92%之间。从整个曲线来看，天线罩的功率传输效率随角度的增加逐步升高，且随着角度的变大，该曲线的变化趋势越来越小。

图1 常规天线罩各扫描角对应的透波率

对天线罩进行优化，首先需要知道各个天线扫描角对应的平均入射角大小，考虑到天线的辐射场为等幅同相，对应的平均入射角大小即为所有天线辐射线对应的入射角的平均值。图2计算了该尺寸正切卵形天线罩扫描角对应的平均入射角，入射角随天线扫描角的增大而递减。在零度扫描的情况下，平均入射角达到72°，这对电磁波透波性能影响非常大，随着扫描角的增大，罩体的平均入射角降低到22°，此时系统具有良好的传输性。这一结果与图1天线罩透随扫描角变化的功率传输系数曲线相对应。天线辐射场对应的入射角是无法改变的，本文通过在不同入射角情况下改变天线壁罩的厚度来实现各个扫描角都达到高透射率的要求，考虑到工艺的易实现性，该优化C夹层结构的奇数层厚度恒定为0.75 mm，偶数芯层的厚度则发生细微变化，随ZR轴的坐标位置对应的厚度变化d如下所示：

图2 天线扫描角对应的平均入射角分布

图3计算了该优化结构天线罩各天线扫描角对应的透波性能，该结构相对于非优化常规结构天线罩的功率透过性能有了显著的提升，最小功率透过系数由原来的56%增加到了81%，这将大大提升雷达系统的探测能力。

图3 变厚度天线罩天线各扫描角对应的透波率

3 结论

经论述，得出以下结论：①通过对C夹层结构天线罩采用变厚度优化设计，天线罩的整体透波性能得到大幅提升，最小透波率从57%提升至81%；②本文中的优化方法适用于大部分飞机天线罩设计，为天线罩的高透波性能优化设计提供了参考依据。

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