一种新型双频天线罩设计.pdf

第3 2 卷2 0 1 5 年第l 期 上海航天 A E R o S P A C ES H A N G H A I 文章编号：1 0 0 6 1 6 3 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 4 5 一0 3 一种新型双频天线罩设计 吴秉横1 、2 ，顾昊2 ，冯红全2 ，余兴2 ，刘元云1 2 ( 1 上海市航空航天器电磁环境效应重点实验室，上海2 0 0 4 3 8 ；2 上海无线电设备研究所，上海2 0 0 0 9 0 ) 摘要：对一种可同时工作于C ，K a 波段的A 夹层天线罩设计进行了研究。优化空气芯层厚度，天线罩可具 备两个频点良好的透波性能。用射线追踪法分析了双频天线罩在不同天线扫描角下的功率传输系数，结果表明天 线罩在C ，K a 波段内两个频点内的传输损耗小于1 0 5d B ，满足双频天线罩的应用需求。 关键词：天线罩；双频；功率传输系数；A 夹层 中图分类号：T N 8 2 0 8 1文献标志码：A D e s i g no faN o v e lD u a l F r e q u e n c yR a d o m e W UB i n g h e n l ，G UH a 0 2 ，F E N GH o n g q u a n 2 ，Y UX i n 9 2 ，L I UY u a n y u n l 2 ( 1 S h a n g h a iK e yL a b o r a t o r yo fE l e c t m 眦g n e t i cE n v i r o n m e n t a lE f f e c t sf o rA e r o s p a c eV e h i c l e ，s h a n g h a i2 0 0 4 3 8 ，C h i n a ； 2 S h a n g h a iR a d i oE q u i p m e n tl n s t i t u t e ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ed e s i g no faA I a y e rr a d o m ew h i c hc o u l dw o r ki nCa n dK ab a n ds i m u l t a n e o u s l yw a ss t u d i e di nt h i s p a p e r B yo p t i m i z a t i o no ft h et h i c k n e s so fa i rc o r e ，t h er a d o m ec o u I dh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fg o o dt r a n s m i s s i o na t t w od i f f e r e n tf r e q u e n c i e s T h ep o w e rt r a n s m i s 号i o nc o e f f i c i e n t so fd u a l f r e q u e n c yr a d o m ew i t hd i f f e r e n ta n t e n n a - s c a n n i n ga n g l e sw e r ea n a l y z e db yr a yt r a c i n gm e t h o d T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et r a n s m i s s i o nl o s s e sw e r el e s st h a n 1 5d Ba tt w of r e q u e n c i e sr e s p e c t i v e l yi nCa n dK ab a n d ，w h i c hm e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ed u a l f r e q u e n c yr a d o m e K e y w o r d s ：R a d o m e ；D u a l f r e q u e n c y ；P o w e rt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t ；A l a y e r 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 收稿日期：2 0 1 3 一0 3 1 2 ；修回日期：2 0 1 3 一0 7 1 1 作者简介：吴秉横( 1 9 8 2 一) ，男，高级工程师，主要从事天线罩的 设计和研制。 的窄带导引头系统D 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l 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。 万方数据 上海航天 A E R O S P A C ES H A N G H A I 第3 2 卷2 0 1 5 年第1 期 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e 。一e ：一。，损耗正切角 t a n 挽一t a n 挽一t a n & ，厚度d 1 一矾一比；芯层由 泡沫或蜂窝等低密度低损耗材料构成，介电常数s ：一 e 6 ，损耗正切角t a n & 一t a n & ，厚度d 2 = 比。 黼 e 2 瓣 正 图1A 夹层天线罩的罩壁结构 F i g 1 W a l ls t r u c t u r eo fs y m m e t r i c a IA I a y e rr a d o m e 当平面波以入射角曰穿过天线罩壁时，电磁波 的传输系数为 T2 丽面瓦幸而2Te 1 9 1 ) 式中： 会三 一 会：三： 三：三： 会；三i ；c 2 ， A 。一D 。c o s h ( j 口。d 。) ； ( 3 ) B 。一乙s i n h ( j 勘。d 。) ； ( 4 ) C 。= s i n h ( j 口。d 。) 乙； ( 5 ) 钉。d 。一( 27 c d 。A ) ；石。一s i n 2 臼； ( 6 ) Z c 。一卜俨“ 五n 以“一_ S m 2 味( 7 ) 【z 。，上一1 五。圭。一s i n 2 臼； z c o 亍甓7 冀三日 此处：；。为相对复介电常数，且；。一e 。( 1 一j t a n 文) ； 五。为相对磁导率，对天线罩壁各层，厶一1 ；z 。为用 Z o = 佤0 = 1 2 0 7 c 归一化的介质特性阻抗；卵一1 ， 2 ，3 ；符号“”表示平行极化，“上”表示垂直极化。 由上述推导可知：获知天线罩各层的厚度、介电 性能后，可根据入射角算出平面波穿透对称A 夹层 材料时的功率传输系数lT I2 。 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 ， K a 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2A 夹层双频天线罩截面 F i g 2 C r o s ss e c t i o no fd u a l - f h q u e n c yA ? l a y e rr a d o m e 设计中，根据天线罩罩壁上不同位置对应的人 射角，先求出天线罩外层的厚度，该厚度约为K a 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K a 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6 0 。 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。一3 2 ，损耗正切 角t a n 占一o 0 0 5 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 。7 0 。入射角的最 大功率传输系数并未达到1 0 0 ，但在2 个频带内 均大于9 0 ，具有优异的双频透波性能。 万方数据 第3 2 卷2 0 1 5 年第1 期吴秉横，等：一种新型双频天线罩设计 至孳攀；= | 妻毒 i 誊兰 一芯层厚度L j 一：一：，。c ： 一i ：j L 二! ： 二一一： 。j 。二= = = I 二：一；一：_ ! 1 ( 12 1 1 3 ( )4 ( )i “( )7 0 入射角，L ) 图3 不同入射角下最优外层和芯层厚度 F i g 3o p t i 啪It h i c k n 髑0 fo u t e ra n di 曲e r I a y e rw i t h V a r i o 吐si n c i d e n ta n g I e 摹 交 幅 舞 啦 静 蚤 摹 燕 憔 集 啦 恃 蚤 h ) 、 行极化 图4 不同入射角下A 夹层天线罩功率传输系数 F i g 4 T r a 璐m i 鹃i o nc f f i c i e n to fA - l a y e rr a d o m e w i t hd i f f e r e n ti n c i d e n ta n g l 鹤 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 ，K a 波 段内工作频点的传输损耗进行仿真口9 。所得A 夹