一种新型双频天线罩设计

吴秉横，顾 昊，冯红全，余 兴，刘元云

（1.上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海 200438；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

0 引言

作为航空器系统中的重要分系统之一，天线罩的作用是保护导引头天线在高速飞行时不受外界环境影响，又需保证导引头的作战能力，即具有电磁波高效穿透的功能［1］。随着复合制导技术的发展，对天线罩的电气性能提出了更高的要求，一般需要天线罩在两个不同的频段内具有良好的功率传输系数。因此，双频天线罩的电性能对导引头有非常重要的意义。为实现天线罩的双频透波，对双频天线罩实现形式进行了大量研究，目前主要的壁结构形式有单层、A夹层、C夹层、复杂结构等。由天线罩的整数倍半波长壁厚设计理论，厚度为半介质波长整数倍的单层结构天线罩已广泛用于带宽小于5%的窄带导引头系统［2－3］。另外，对工作频率为2倍或3倍的双频复合导引头来说，单层结构天线罩仍可满足双频透波的要求。此外，当工作频段跨度很大时，单层结构天线罩既是其中一个频段对应的半波长壁厚天线罩，又是另一频段对应的薄壁天线罩，在2个频段均可实现电磁波的低损耗透过。A夹层天线罩由1层低介电常数的芯层和2层很薄的高介电常数蒙皮组成，通过调节各层的厚度和介电常数，可实现2个频率较高的功率传输系数，但主要用于地面雷达或机载雷达天线罩［4］。C夹层天线罩由3层高介电常数蒙皮和两侧低介电常数芯层构成，是实现超宽带透波的解决方案之一［5］。对C夹层结构在双频天线罩的应用也进行了一定的研究，但该种材料结构较复杂，目前用于高超声速导弹天线罩时还存在工艺难度。本文对一种新型对称A夹层双频天线罩设计进行了研究。

1 传输特性分析

A夹层天线罩的罩壁结构如图1所示。图中：天线罩的外层由石英纤维、氮化硅或其他高密度低损耗材料组成，相应的介电常数ε1＝ε2＝εa，损耗正切角tanδ1＝tanδ3＝tanδa，厚度d1＝d3＝da；芯层由泡沫或蜂窝等低密度低损耗材料构成，介电常数ε2＝εb，损耗正切角tanδ2＝tanδb，厚度d2＝db。

图1 A夹层天线罩的罩壁结构Fig.1 Wall structure of symmetrical A－layer radome

当平面波以入射角θ穿过天线罩壁时，电磁波的传输系数为

式中：

此处：为相对复介电常数，且为相对磁导率，对天线罩壁各层，为用归一化的介质特性阻抗；n＝1，2，3；符号“／／”表示平行极化，“⊥ ”表示垂直极化［6］。

2 天线罩设计与分析

2.1 双频天线罩设计原理

为满足空气动力学要求，天线罩的外形是头部较尖的流线型，同时考虑导引头天线在天线罩内对整个空域进行扫描的因素，天线罩壁上不同位置对应的电磁波入射角有所不同，故常用变法向壁厚的方法实现天线罩的最佳透波设计［7］。对A夹层天线罩设计，同样采用变法向厚度的设计方法实现C，Ka波段的电磁波穿透。

双频天线罩为A夹层结构，外层为介电常数约3.2的氮化硅；天线罩的芯层通过两层氮化硅天线罩间的空气间隙天然而成，介电常数为1。A夹层双频天线罩截面如图2所示。

图2 A夹层双频天线罩截面Fig.2 Cross section of dual－frequency A－layer radome

设计中，根据天线罩罩壁上不同位置对应的入射角，先求出天线罩外层的厚度，该厚度约为Ka波段上工作频点对应的半介质波长。在此基础上，根据已知的入射角和天线罩外层厚度，确定此时满足C波段工作频点最佳透波的空气芯层厚度，进而得出对应不同入射角的天线罩外层和芯层厚度，最终建立天线罩模型。

2.2 平板传输性能分析

用上述设计方法建立对应不同入射角的最优外层和芯层厚度，所得天线罩平板模型如图3所示。计算时，用电磁波单层平板透波公式算得外层在Ka波段的最优厚度，由平面电磁波穿透多层介质平板公式优化C波段的最佳透波，获得不同入射角的最优芯层壁厚。考虑水平极化电磁波在入射角约60°处会出现全折射，因此最优芯层厚度的优化结果基于垂直极化情况而得。

在天线罩厚度为图3中不同入射角对应的尺寸，氮化硅材料的相对介电常数εr＝3.2，损耗正切角tanδ＝0.005条件下，用式（1）所得不同入射角下A夹层天线罩平板的功率传输系数如图4所示。由图可知：因存在损耗正切角，0°～70°入射角的最大功率传输系数并未达到100%，但在2个频带内均大于90%，具有优异的双频透波性能。

图3 不同入射角下最优外层和芯层厚度Fig.3 Optimal thickness of outer and inner layer with various incident angle

图4 不同入射角下A夹层天线罩功率传输系数Fig.4 Transmission coefficient of A－layer radome with different incident angles

2.3 天线罩传输特性分析

确定天线罩的外形线、天线的口面尺寸等参数后，用几何光学算法可算得天线罩壁每个位置对应的平均入射角，由查询不同入射角对应的天线罩最优外层和最优芯层，建立天线罩的模型，天线罩的外形线为卡门曲线，长细比2.8。用二维几何射线追踪法，对不同天线扫描角的双频A夹层在C，Ka波段内工作频点的传输损耗进行仿真［8－9］。所得A夹层天线罩传输损耗如图5所示。由图可知：在天线±60°扫描角范围内，C波段的垂直极化传输损耗小于0.9dB，水平极化传输损耗小于0.4dB；Ka波段的垂直极化传输损耗小于1.05dB，水平极化传输损耗小于0.4dB。仿真结果说明本文设计的变壁厚A夹层天线罩传输损耗在2个频带内均小于1.05dB，具有良好的双频传输特性。

图5 A夹层天线罩传输损耗Fig.5 Transmission loss of A－layer radome

3 结束语

本文给出了一种新型变法向壁厚的C／Ka波段A夹层复合天线罩设计。该天线罩由两层氮化硅外层和一层空气芯层构成。用二维射线跟踪法，建立A夹层天线罩二维模型，仿真计算了天线罩传输损耗。结果表明：天线罩在2个波段的工作频点传输损耗小于1.05dB，满足双频天线罩的透波需求。

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