面向多波段合成孔徑雷達天線的大型超寬帶拼裝式天線罩設計方法

楊飛龍,朱金彪,劉玉泉,湯洪彪,潘 潔

(1. 中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100094; 2. 西北工業大學 電子信息學院, 陜西 西安 710072)

0 引 言

天線罩是保護天線系統的重要裝置,能夠使天線免受外界惡劣環境、復雜天氣、空氣阻力和其他負荷的影響,延長了天線的使用壽命。與之同時,天線罩的設計更需要滿足相應的電磁透波性能,使天線更穩定可靠地工作。一方面在設計過程中,天線罩的透波帶寬范圍是非常重要的指標參數。頻率選擇表面天線罩[1-3]和超寬帶天線罩[4-6]則是針對不同罩內天線的工作頻率與天線罩透波帶寬進行平衡設計的典型實例。另一方面,波束入射角度兼容范圍和極化敏感特性也是天線罩設計工作中必須考慮的問題,波束大角度入射時會對高頻透波性能有不可忽略的影響[7-8],而天線罩的極化方式也會對天線方向圖產生重大影響[9]。所以,實現大角度兼容且極化不敏感的超寬頻帶天線罩設計是一項極具挑戰的設計工作。

多波段合成孔徑雷達天線廣泛應用于海洋觀測、環境監測、災害監測、農業評估、資源勘察、地質測繪等領域[10-11],通常由多個不同用途的天線組成,工作頻率各不相同,覆蓋的頻帶范圍很寬。為了實現超寬帶透波,極化和大入射角度就往往難以兼顧,在設計時只能針對單一角度和單一極化方式進行測試。而且,面對大角度掃描陣列與不同極化波輻射時,傳統的天線罩設計更傾向于針對特定的頻段組合[12-14],或僅針對幾個低頻段范圍實現透波[15]。

本文針對特定布局的P波段到Ka波段的多波段合成孔徑雷達天線的復雜構型,提出了一種大型超寬帶拼裝式天線罩的設計方法,能夠滿足多個不同頻段天線大傾角內入射的寬頻段高效透波。并且,對根據該方法制造的天線罩的透射系數進行了測試,結果表明天線罩能夠在超寬頻帶內高效透波,滿足實際要求,實現了該布局下的多波段合成孔徑雷達天線的大型超寬帶拼裝式天線罩設計。

1 多波段合成孔徑雷達天線系統及天線罩架構設計

MA60型飛機機腹的遙感任務系統包括特定布局的多波段合成孔徑雷達天線,天線布局如圖1所示。天線1、天線2的工作頻率為P波段到X波段的0.3 GHz～10 GHz;天線3的工作頻率為K波段到Ka波段的19 GHz～21 GHz、30 GHz;天線4的工作頻率為Ku波段的16.3 GHz～17.1 GHz;天線5的工作頻率為Ka波段的32 GHz～38 GHz。該布局滿足電磁兼容要求,各個天線之間的隔離度大于45 dB,且天線的方向圖基本上不產生畸變,電性能不會下降。

圖1 多波段合成孔徑雷達天線布局

觀察各天線的工作頻率和分布位置可知,天線1和天線2的工作頻段較低且相同,天線3、天線4和天線5的工作頻段較高且覆蓋三個連續的頻段,天線3和天線4的分布位置又很相近。因此,根據天線系統的排布設計如圖2所示的拼裝式天線罩。

圖2 超寬帶拼裝式天線罩結構

其中,天線罩透波區域分為低頻透波區和高頻透波區。低頻透波區覆蓋天線1和天線2兩個低頻段天線的位置;高頻透波區包含兩個分布式補丁,其中平直段補丁的位置對應天線3和天線4,具有一定曲率的圓角段補丁的位置對應天線5。根據天線相對天線罩的位置關系決定的電磁波入射角度、天線罩的曲率、天線特定的工作頻率范圍和極化方式,選用出滿足低頻段天線最高效率透波的不同介電常數組合的多層天線罩結構作為低頻透波區,包括P波段、L波段、S波段、C波段和X波段。在考慮曲率及入射角度的基礎上采用與低頻透波區不同介電常數的多層介質材料組合作為高頻透波區,包括Ku波段、K波段和Ka波段,使三個高頻段天線具有良好的透射效率,能夠最大限度地滿足天線罩針對高頻段天線的電性能要求。

2 超寬帶拼裝式天線罩電性能數值模擬

由于厚的單層壁結構的帶寬僅有百分之幾,無法滿足天線罩電性能要求,需要采用多層壁結構來拓展帶寬,常用的多層壁結構有A型夾層、B型夾層和C型夾層。無論哪種形式,其本質都是針對某一頻段選擇和布置每層材料的介電常數、磁導率和厚度,使組合后的多層結構具有良好的匹配性能[16-17]。

將天線罩看作周期性結構,而Floquet模式可以很好地模擬周期性結構,避免復雜而重復性的仿真計算,優化仿真計算方法,因此只對單元選用Floquet模式進行仿真計算。Floquet模式是一種空間諧波模式,平面波入射后產生的散射波表示為無限個離散的模式之和,這類平面波的傳播方向由周期性結構的頻率和幾何形狀共同決定,在電磁場波動方程滿足周期性邊界條件時,利用數學上分離變量法得到電磁場的解[18]。

對于低頻透波區,選用由兩層比較致密且薄的表面層和較厚的低介電常數的多孔中間芯層組成的A型夾層結構作為低頻透波區,其中表面層材料為玻璃纖維HTM110,介電常數為2.98,損耗角正切為0.005,厚度為0.5 mm,中間芯層為蜂窩狀結構,等效介電常數為1.068,損耗角正切為0.004,厚度為6 mm。低頻透波區單元結構如圖3a)所示,設置Floquet激勵端口,水平極化時單元左右為電壁,上下為磁壁;垂直極化時單元左右為磁壁,上下為電壁。

圖3 低頻透波區的單元結構和透射系數

對低頻透波區在X波段及以下頻率用不同極化和入射角的平面波進行激勵得到如圖3b)和圖3c)所示的透射系數曲線,可以觀察到在0°～45°入射角范圍內,低頻透波區在P波段到X波段的透射系數在水平極化時始終在0.97以上,而當入射角大于45°時,水平極化波的透射系數才有較大的減小,但仍然在0.94以上,垂直極化時始終在0.99以上,因此該天線罩的低頻透波區可以實現多個低頻段天線的高效透波,滿足正常工作要求。

由于低頻透波區的夾層材料無法實現高頻時的良好透波,需要針對高頻段天線設計另外的多層材料結構。經過仿真篩選,選擇多層材料的層壓結構,材料為玻璃纖維HTM110,介電常數為2.98,損耗角正切為0.005,每層厚度為0.25 mm,共六層。高頻透波區單元結構如圖4a)所示,設置Floquet激勵端口,水平極化時單元左右為電壁,上下為磁壁;垂直極化時單元左右為磁壁,上下為電壁。

圖4 高頻透波區的單元結構和透射系數

對高頻透波區在Ka波段及以下頻率用不同極化和入射角的平面波進行激勵得到如圖4b)和圖4c)所示的透射系數曲線,可以發現在X波段到Ka波段水平極化波的透射系數隨入射角增大而減小,在入射角較小時能保持在0.8以上,垂直極化波的透射系數隨入射角增大而增大,在入射角較大時也能高于0.85,所以該天線罩的高頻透波區也基本能滿足多個高頻段天線正常工作的透波要求。

另外,加裝高頻透波區的兩個分布式補丁需要在其周圍安裝金屬釘,為評估金屬釘的存在對高頻透波的影響,需要對安裝金屬釘的高頻透波區進行仿真。整體模型結構如圖5a)所示,分布式補丁寬約500 mm,周圍金屬釘半徑為3 mm,間距50 mm,由于該補丁橫向結構具有周期性,可以截取部分結構作為單元進行仿真。設置垂直天線罩方向的平面波激勵,此時兩種極化波的效果相同,并和無金屬釘的情況作對比,繪制如圖5b)和圖5c)所示的不同頻段有無金屬釘時高頻透波區的透射系數。仿真結果表明無金屬釘時高頻透波區在L波段和X波段的透射系數分別在0.99和0.93以上,而加金屬釘后的透射系數只是略微減小,差異并不明顯,說明高頻透波區能滿足電磁波的高效透射,且金屬釘幾乎對電磁波傳輸沒有影響。

圖5 高頻透波區及金屬釘的仿真模型和透射系數

3 天線罩性能測試

根據既定方法和材料制造實際的天線罩,并在遠場條件下展開測試,實際天線罩與測試環境如圖6所示。用原定布局的多維度天線作為發射天線進行激勵,在相應的工作狀態下針對天線罩透波區域進行測試,并利用矢量網絡分析儀讀取發射天線與接收天線之間在加載天線罩前后的傳輸系數,計算得到天線罩的透波率。天線的工作狀態及天線罩透波率測試結果如表1所示,結果表明加載天線罩后多波段合成孔徑雷達天線在各自的工作頻段和極化方式下都能實現透波率大于85%的高效透波,滿足正常工作要求。

表1 天線的工作狀態和天線罩透波率測試結果

圖6 天線罩實物與微波暗室測試環境

4 結束語

本文針對多波段合成孔徑雷達天線的復雜構型提出了一種大型超寬帶拼裝式天線罩。通過對不同頻段設計多層材料的組合結構作為相應的透波區域,能夠實現罩內P波段到Ka波段的多個天線的寬頻率大角度的高效透波。測試結果表明：該天線罩能夠滿足原定布局的多維度天線在多個頻點的不同俯仰角及極化狀態下的透波要求,實現了該布局下的多波段合成孔徑雷達天線的大型超寬帶拼裝式天線罩設計,對同類機載雷達罩的設計和工程實現,有著現實參考意義。