一種新型雙頻天線罩設計

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境效應重點實驗室，上海 200438；2.上海無線電設備研究所，上海 200090）

0 引言

作為航空器系統中的重要分系統之一，天線罩的作用是保護導引頭天線在高速飛行時不受外界環境影響，又需保證導引頭的作戰能力，即具有電磁波高效穿透的功能［1］。隨著復合制導技術的發展，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具有良好的功率傳輸系數。因此，雙頻天線罩的電性能對導引頭有非常重要的意義。為實現天線罩的雙頻透波，對雙頻天線罩實現形式進行了大量研究，目前主要的壁結構形式有單層、A夾層、C夾層、復雜結構等。由天線罩的整數倍半波長壁厚設計理論，厚度為半介質波長整數倍的單層結構天線罩已廣泛用于帶寬小于5%的窄帶導引頭系統［2－3］。另外，對工作頻率為2倍或3倍的雙頻復合導引頭來說，單層結構天線罩仍可滿足雙頻透波的要求。此外，當工作頻段跨度很大時，單層結構天線罩既是其中一個頻段對應的半波長壁厚天線罩，又是另一頻段對應的薄壁天線罩，在2個頻段均可實現電磁波的低損耗透過。A夾層天線罩由1層低介電常數的芯層和2層很薄的高介電常數蒙皮組成，通過調節各層的厚度和介電常數，可實現2個頻率較高的功率傳輸系數，但主要用于地面雷達或機載雷達天線罩［4］。C夾層天線罩由3層高介電常數蒙皮和兩側低介電常數芯層構成，是實現超寬帶透波的解決方案之一［5］。對C夾層結構在雙頻天線罩的應用也進行了一定的研究，但該種材料結構較復雜，目前用于高超聲速導彈天線罩時還存在工藝難度。本文對一種新型對稱A夾層雙頻天線罩設計進行了研究。

1 傳輸特性分析

A夾層天線罩的罩壁結構如圖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，相應的介電常數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成，介電常數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構Fig.1 Wall structure of symmetrical A－layer radome

當平面波以入射角θ穿過天線罩壁時，電磁波的傳輸系數為

式中：

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

2 天線罩設計與分析

2.1 雙頻天線罩設計原理

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

雙頻天線罩為A夾層結構，外層為介電常數約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

設計中，根據天線罩罩壁上不同位置對應的入射角，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的半介質波長。在此基礎上，根據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，進而得出對應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

用上述設計方法建立對應不同入射角的最優外層和芯層厚度，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波段的最優厚度，由平面電磁波穿透多層介質平板公式優化C波段的最佳透波，獲得不同入射角的最優芯層壁厚。考慮水平極化電磁波在入射角約60°處會出現全折射，因此最優芯層厚度的優化結果基于垂直極化情況而得。

在天線罩厚度為圖3中不同入射角對應的尺寸，氮化硅材料的相對介電常數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并未達到100%，但在2個頻帶內均大于90%，具有優異的雙頻透波性能。

圖3 不同入射角下最優外層和芯層厚度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后，用幾何光學算法可算得天線罩壁每個位置對應的平均入射角，由查詢不同入射角對應的天線罩最優外層和最優芯層，建立天線罩的模型，天線罩的外形線為卡門曲線，長細比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波段內工作頻點的傳輸損耗進行仿真［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，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。仿真結果說明本文設計的變壁厚A夾層天線罩傳輸損耗在2個頻帶內均小于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夾層復合天線罩設計。該天線罩由兩層氮化硅外層和一層空氣芯層構成。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。

［1］ WALTON J D.Radome engineering handbook［M］.New York：Marcel Dekker Inc，1970.

［2］ 彭望澤.防空導彈天線罩［M］.北京：宇航出版社，1993.

［3］ 宋銀鎖.空空導彈天線罩發展展望［J］.航空兵器，2005（3）：19－23.

［4］ MENG Hong－fu，DOU Wen－bin.Design of dual－frequency radome［C］／／The 9th International Symposium on Antennas，Propagation and EM Theory.Guangzhou：［s.n.］，2010：764－765.

［5］ 張 樂，李玉瑩.雙波段夾層天線罩平板的應用研究［J］.現代防御技術，2007，35（5）：124－129.

［6］ 杜耀惟.天線罩電信設計方法［M］.北京：國防工業出版社，1993.

［7］ 張謨杰.主被動復合天線罩瞄準線誤差分析［J］.制導與引信，2003，24（3）：33－37.

［8］ EINZIGER P D，FELSEN L B.Ray analysis of twodimensional radomes［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，1983，31（1）：870－884.

［9］ SKOLNIKM I.雷達手冊（第六分冊）［M］.謝 卓（譯）.北京：國防工業出版社，1974：137－158.