基于復合材料的雷達天線罩設計

錢俊輝 卿海

摘 要：基于對天線陣列進行相關保護，以及盡量減緩對天線陣列的方向圖、增益的影響，穩重提出以復合材料為基礎的天線罩設計。在A夾層架構基礎上，將芯層設計成蜂窩周期性的構造，并通過對等效電磁參數研究實現介質材料的介電常數的規律性改變，進而對天線罩的透射系數進行相關調整。在進行雷達天線罩電磁性能改進時候，將遺傳算法和等效傳輸線理論相結合來得到使蜂窩介質平板的透波性能最優的介電常數，從而提升天線罩整體功能。利用仿真實驗對提出的方法進行測試，仿真結果證明了此方法可行性。

關鍵詞：復合材料;天線罩;蜂窩周期性結構;遺傳算法;雷達

隨著我國國防事業的不斷進步，各個國家開始了對不同規模的相控陣雷達的研究。由于其含有波束指向靈活的特點，進而實現了在沒有慣性的情況下進行掃描的有點，并且快速成為了提升防空導彈武器系統作戰性能有力武器[1]。為了避免風、雨、雷電等惡劣天氣對相控陣雷達天線陣列的影響，對于天線罩的研發受到了廣泛的關注，并將其應用在對其他天線進行保護方面。

1基于復合材料的雷達天線罩

對于天線罩的安裝，是將其安裝在天線陣列外側，進而可以有效的對硬件結構起到保護的作用。在進行設計的過程當中常常會用到電磁學、力學、熱學等不同的科目。為了可以使力學和熱學在各項標準上與平面雷達天線陣列共形，本文通過使用復合材料、多層的平板結構對天線罩進行相關的設計，在橫截面使用了A夾層結構方式，詳細結構如圖1所示。

對于A夾層結構來說，其包括了兩層蒙皮、兩層膠層和一層芯層。圖中顏色較深部分主要是由介質材料中介電常數的數值較高所引起的，而顏色較淺的是由于介電常數的數值較低所引起的。而中間白色部分就是不同介質材料之間粘結的膠層。一般來說，外層所使用的是質量較好的高介電常數蒙皮，在進行材料選擇時，選用了線膨脹系數低、在高溫度中穩定性較強、介電性能較好，進而可以制造出質量、性能較好的氰酸酯基石英纖維復合材料以及泡沫蜂窩結構的芯層。

2天線罩輻射性能優化

對于天線罩輻射、散射和透波特性來說，其是受到自身的架構、材料和身處的環境影響。在進行天線罩加工過程中，電磁性能可能會出現差異性，所以要對自身進行相關的優化 進而達到最優狀態。對復合材料的天線罩進行相關優化主要是通過遺傳算法，然后使用目標函數、約束條件等不同的方面對復合材料雷達天線罩的電磁性能進行詳細分析。為了可以讓雷達天線罩的透射系數盡可能地好，需要在保證蒙皮厚度情形下，對蜂窩結構的大小進行改善，從而得到正常的蜂窩結構的。這一節主要通過遺傳算法當做雷達天線罩投射性能的主要算法，然后通過等效傳輸線理論進而對蜂窩介質平板的透波相關性能進行計算。在進行改善的過程當中，一個良好的適應度函數對改善的結果起到決定性作用。

進行改善的過程如下：

（1）要確定天線罩的改善目標、約束條件、設計變量。在使用遺傳算法時要對其參數進行相關的設定然后通過隨機的方式產生初始的種群;

（2）要對天線罩的相關架構進行網格離散華，進而構建起有限元模型以及入射角范圍;

（3）對初始種群所包含的每一個個體進行相關的記錄，并通過有效傳輸線理論協助進而得到雷達天線罩平板的透波系數大小;

（4）在初始種群中在不同的度數值搜索最好的個體，然后記錄下來;

（5）在進化的過程中，要對種群進行選擇、交叉、變異等操作，然后讓其生成新的種群然后返回到步驟（3），如此進行循環，直到最終設定的次數為止;

（6）最后要把各個參數進行記錄，然后利用等不同的平臺進行相關考證。在上述過程中，種群所有的個體都要進行適應度的相關計算。所得出的數據與個體電磁性能、熱學和力 學性能相關聯，然后將數據輸送到軟件中進行處理，進而增強天線罩整體的改善速度。

3仿真驗證與數據分析

基于上面的所述的思想，進而驗證其的可行性。選用電磁仿真三維設備對介質平板透波性進行相關性能仿真。對于外蒙皮的材料選擇氰酸酯基石英纖維復合材料，主要是由于其質地好、膨脹系數低、穩定輕強、易于加工等特點。在進行芯層蜂窩周期性結構設計過程中要選擇環氧復合材料，然后通過改善，此材料的相對介電常數為。圖2展現出雷達平板天線罩芯層蜂窩結構的和幅度與相位隨頻率之間的變化趨勢。由圖可以看出S11和S12幅度跟隨頻率的增加而降低，但是相位卻與之相反。

不斷地對蜂窩單元的參數進行改變，進而將整體的介電常數也隨著改變，與此同時，介質的等效介電常數可以通過 S11和S12兩者計算得出。資料顯示，雷達平板天線罩蜂窩結構等效介電常數會隨著頻率的變化而變化，兩者呈負相關關系，即等效介電常數增加時，頻率則呈逐漸減低趨勢，之后變化的幅度越來越小。

天線罩的有和沒有對整體的天線 S11幅度和增益都產生了重大影響，即：天線罩存在時，對于天線 S11幅度和增益是存在一定消耗的，進而讓天線電磁本身所含有的性能逐漸向低頻發展。造成這個現象的主要原因是由于本文中天線罩對于天線輻射的電磁波進行了反射，進而與天線產生了耦合。最后也是最重要的一點，本文進行設計的天線罩通過相關的性能測試發現與總體的趨勢相吻合，進而可以說明天線罩對于天線的影響是微乎其微的。

結論：

本文主要是通過使用復合材料進行天線罩設計。其平板的天線罩使用了A夾層結構，將酯基石英纖維復合材料當做蒙皮材料，然后芯層使用的是泡沫蜂窩結構。經過等效電磁參數可以對介質材料中介電常數進行改變，進而對天線罩的透射系數加以控制。另外，通過使用遺傳算法完善了天線罩輻射所具有的相關性能。從最終的測試結果來看，本文所描述的天線罩經過改善之后對天線罩電磁性能起到了完善的作用，從而其可以被真實用于天線罩的設計過程當中。

參考文獻：

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