夾層結(jié)構(gòu)天線罩電性能優(yōu)化設(shè)計

曾安民

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

天線罩是保護(hù)飛行器導(dǎo)引頭天線在惡劣的環(huán)境下能正常工作的功能結(jié)構(gòu)，它是由天然或人造電介質(zhì)材料制成的覆蓋物，或是由桁架支撐的電介質(zhì)殼體構(gòu)成的特殊形狀的電磁窗口[1-2]。工程上應(yīng)用較多的是多層夾心結(jié)構(gòu)，中間芯層密度低，外層蒙皮層屬于致密層，這樣的結(jié)構(gòu)不僅能夠提供足夠的力學(xué)性能，同時其寬頻透波性能還非常優(yōu)越。通過設(shè)計合理的芯層和表面厚度，使天線罩在天線整個掃描角范圍內(nèi)具有優(yōu)良的傳輸透波性能[3-6]。本文針對C夾層天線罩結(jié)構(gòu)，采用幾何光學(xué)射線追蹤法理論，研究通過天線罩罩壁變厚度結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高天線各掃描角度范圍內(nèi)天線罩透波性能。

1 理論分析

幾何光學(xué)三維射線追蹤法用的是標(biāo)量克?；舴蜓苌涔?，它對大天線來說，線積分項(xiàng)可以忽略，所以計算結(jié)果將是比較精確的，特別是當(dāng)天線面積大于75倍波長平方時，計算結(jié)果令人滿意。綜合考慮空氣動力學(xué)及寬頻透波性能要求，本文選擇具有良好氣動外形的C夾層正切卵形天線罩結(jié)構(gòu)作為整體結(jié)構(gòu)天線罩的分析對象。天線罩[7-8]的外形為旋轉(zhuǎn)對稱的正切卵形，其對應(yīng)的函數(shù)寫成如下形式：

上式中：R為生成圓弧的曲率半徑；W為基礎(chǔ)圓直徑。

天線罩平板的透射系數(shù)采用傳輸矩陣法求出傳輸系數(shù)T與反射系數(shù)R：

電磁波入射到天線罩引起的共極化場透射系數(shù)和交叉極化場透射系數(shù)：

式（5）（6）中：TCO和TCR是天線罩的共極化和交叉極化透射系數(shù)；T∥和T⊥分別是入射場水平極化分量和垂直極化分量的透射系數(shù)；φM是電磁射線與天線罩入射點(diǎn)M的極化角。

在罩外等效口徑上，將標(biāo)量積分公式轉(zhuǎn)化成離散求和的形式，口徑上場分布為：

式（7）中：mn表示天線口徑的離散化序數(shù)。

天線-天線罩系統(tǒng)遠(yuǎn)場輻射表達(dá)式如下。

未帶罩輻射方向圖：

帶罩共極化輻射方向圖計算式：

帶罩交叉極化輻射方向圖計算式：

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

設(shè)定天線罩的長細(xì)比為2∶1，其中，長度L＝1 m，底部直徑W＝0.5 m；天線為圓口徑，天線半徑a＝0.2 m；天線離天線罩底部距離L3＝0.3 m；天線工作頻率為10 GHz。為減小計算量，簡化計算過程，定義圓口天線電場極化方位指向天線坐標(biāo)系的y方向，幅值大小恒定為1.對于均勻分布的圓口徑天線，當(dāng)水平位移角Ф＝0°時，其遠(yuǎn)區(qū)方向圖為：

常規(guī)C夾層結(jié)構(gòu)天線罩為等壁厚結(jié)構(gòu)形式，材料選用常規(guī)CFRP材料。奇數(shù)蒙皮層的復(fù)介電常數(shù)為3.4－0.013 6j，厚度0.75 mm；偶數(shù)層的復(fù)介電常數(shù)為1.05－0.002 1j，夾層結(jié)構(gòu)總厚度為6 mm。圖1計算了該正切卵形等厚度C夾層結(jié)構(gòu)天線罩的傳輸效率隨天線在罩內(nèi)掃描角變化的計算結(jié)果，功率傳輸效率在57%～92%之間。從整個曲線來看，天線罩的功率傳輸效率隨角度的增加逐步升高，且隨著角度的變大，該曲線的變化趨勢越來越小。

圖1 常規(guī)天線罩各掃描角對應(yīng)的透波率

對天線罩進(jìn)行優(yōu)化，首先需要知道各個天線掃描角對應(yīng)的平均入射角大小，考慮到天線的輻射場為等幅同相，對應(yīng)的平均入射角大小即為所有天線輻射線對應(yīng)的入射角的平均值。圖2計算了該尺寸正切卵形天線罩掃描角對應(yīng)的平均入射角，入射角隨天線掃描角的增大而遞減。在零度掃描的情況下，平均入射角達(dá)到72°，這對電磁波透波性能影響非常大，隨著掃描角的增大，罩體的平均入射角降低到22°，此時系統(tǒng)具有良好的傳輸性。這一結(jié)果與圖1天線罩透隨掃描角變化的功率傳輸系數(shù)曲線相對應(yīng)。天線輻射場對應(yīng)的入射角是無法改變的，本文通過在不同入射角情況下改變天線壁罩的厚度來實(shí)現(xiàn)各個掃描角都達(dá)到高透射率的要求，考慮到工藝的易實(shí)現(xiàn)性，該優(yōu)化C夾層結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層厚度恒定為0.75 mm，偶數(shù)芯層的厚度則發(fā)生細(xì)微變化，隨ZR軸的坐標(biāo)位置對應(yīng)的厚度變化d如下所示：

圖2 天線掃描角對應(yīng)的平均入射角分布

圖3計算了該優(yōu)化結(jié)構(gòu)天線罩各天線掃描角對應(yīng)的透波性能，該結(jié)構(gòu)相對于非優(yōu)化常規(guī)結(jié)構(gòu)天線罩的功率透過性能有了顯著的提升，最小功率透過系數(shù)由原來的56%增加到了81%，這將大大提升雷達(dá)系統(tǒng)的探測能力。

圖3 變厚度天線罩天線各掃描角對應(yīng)的透波率

3 結(jié)論

經(jīng)論述，得出以下結(jié)論：①通過對C夾層結(jié)構(gòu)天線罩采用變厚度優(yōu)化設(shè)計，天線罩的整體透波性能得到大幅提升，最小透波率從57%提升至81%；②本文中的優(yōu)化方法適用于大部分飛機(jī)天線罩設(shè)計，為天線罩的高透波性能優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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