管 軍，秦建軍，時(shí) 劍

(解放軍94804 部隊(duì)，上海 200434)

雷達(dá)天線罩的作用是保護(hù)雷達(dá)天線，使其免受雨雪、冰雹、閃電及飛鳥(niǎo)等因素的侵害，避免了因氣候與環(huán)境原因造成的雷達(dá)性能下降，甚至關(guān)機(jī)，同時(shí)還可以緩解因氣溫驟降、太陽(yáng)輻射、潮濕、鹽霧對(duì)天線系統(tǒng)的影響，因此也大大簡(jiǎn)化和減輕了天線系統(tǒng)的日常維護(hù)修理工作，延長(zhǎng)露天雷達(dá)的使用壽命。某型引進(jìn)雷達(dá)長(zhǎng)期在沿海濕熱多雨高鹽腐蝕環(huán)境中服役，因天線罩破損，導(dǎo)致天線內(nèi)部積水，雷達(dá)出現(xiàn)大量雜波，無(wú)法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，嚴(yán)重影響了裝備的日常使用。由于引進(jìn)產(chǎn)品價(jià)格昂貴且采購(gòu)周期較長(zhǎng)等原因，某部決定進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代，組織技術(shù)骨干經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，采用較為直觀的微波等效網(wǎng)絡(luò)法分析了天線罩傳輸系數(shù)隨頻率、層厚的變化關(guān)系，通過(guò)HFSS 進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了天線罩設(shè)計(jì)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為天線罩的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，最終設(shè)計(jì)了符合指標(biāo)要求的天線罩，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，獲得了令人滿意的結(jié)果，確保該型雷達(dá)在惡劣環(huán)境條件下正常工作。該型雷達(dá)天線罩的國(guó)產(chǎn)化減少了對(duì)裝備引進(jìn)方的依賴，有效縮短了裝備維修周期，節(jié)約了維修成本，無(wú)論在技術(shù)創(chuàng)新理念，還是軍事、經(jīng)濟(jì)效益方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 天線罩性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

某型雷達(dá)天線罩電性能指標(biāo)主要有:天線罩工作頻率在X 波段和L 波段;天線罩透波率≤85%。

2 天線罩電性能設(shè)計(jì)

2.1 天線罩的結(jié)構(gòu)選擇

天線罩的結(jié)構(gòu)形式主要有薄壁型、半波長(zhǎng)壁型和夾芯結(jié)構(gòu)型。薄壁型要求壁厚度d ＜0.02λ，它具有相當(dāng)高的電磁透波率，但機(jī)械強(qiáng)度極低。半波長(zhǎng)壁型其厚度約等于半個(gè)波長(zhǎng)，可在較大的入射角范圍內(nèi)獲得較好的傳輸特性和均勻的插入相位移，但頻帶較窄，結(jié)構(gòu)重量重。夾芯結(jié)構(gòu)型是由具有較高介電常數(shù)且厚度很小的內(nèi)外蒙皮和一個(gè)低介電常數(shù)的夾芯層組成。其中夾芯結(jié)構(gòu)型又分為A -夾層結(jié)構(gòu)、B -夾層結(jié)構(gòu)和多夾層結(jié)構(gòu)(包括C-夾層)。A-夾層結(jié)構(gòu)適用于流線罩，具有良好的重量為強(qiáng)度比，而且能設(shè)計(jì)成在小到中等入射角的情況下反射很低，可實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，減小天線相位畸變。B-夾層結(jié)構(gòu)，它對(duì)材料要求比較高，為保證匹配，獲得良好的透過(guò)系數(shù)，中間層介電常數(shù)為外層介電常數(shù)的均方值。多夾層結(jié)構(gòu)透過(guò)性較好，重量輕，可在較大入射角范圍內(nèi)獲得較高的傳輸性能，可用于高度流線型罩，適合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的場(chǎng)合，但插入相位移隨入射角變化劇烈［1-4］。

根據(jù)某型雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)，頻帶寬、重量輕、雙頻段工作等特點(diǎn)，同時(shí)考慮到機(jī)械強(qiáng)度等綜合因素［5-7］，設(shè)計(jì)方案采用了多夾層天線罩。

圖1 天線罩常見(jiàn)壁結(jié)構(gòu)

2.2 多夾層天線罩的四端網(wǎng)絡(luò)等效

對(duì)于多夾層結(jié)構(gòu)天線罩，運(yùn)用傳輸線理論，把多層平板等效為一個(gè)級(jí)聯(lián)的四端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)這個(gè)等效的網(wǎng)絡(luò)，任意多層介質(zhì)平板的透過(guò)系數(shù)、發(fā)射系數(shù)，就可用一個(gè)簡(jiǎn)捷通用的公式來(lái)表達(dá)［8］。

1)多層平板的傳輸矩陣

式(1)中:

2)多層介質(zhì)平板的反射系數(shù)

式(6)中，B' =B/Zc0，C' =C/Zc0。

3)多層平板的透過(guò)系數(shù)

4)多層介質(zhì)平板引起的插入相移

式(8)中d=d1+d2+……+dN為多層介質(zhì)平板的總厚度。

依據(jù)等效四端網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣建立數(shù)學(xué)分析模型，并借助計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算軟件，如MathCAD、MatLad 等或者語(yǔ)言編程的方式，可以很方便地研究多夾層結(jié)構(gòu)天線罩的電磁特性與其物理結(jié)構(gòu)和工作頻率之間的變化關(guān)系，以此為依據(jù)即可選擇合適的材料，確定天線罩的物理結(jié)構(gòu)及尺寸。

2.3 A-夾層結(jié)構(gòu)透波率及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多夾層結(jié)構(gòu)可以看作多個(gè)A-夾層結(jié)構(gòu)的疊加，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。這里首先以A-夾層結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，探求透波率與工作頻率、芯層厚度、蒙皮厚度之間的關(guān)系，以便初步確定夾層的物理結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖2 A-夾層結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)外蒙皮采用玻璃纖維加環(huán)氧樹(shù)脂:ε1=4. 2，tgδ1=0.015;中間層采用低介電常數(shù)、低損耗、低密度的紙蜂窩芯層:ε2=1.15，tgδ2=0.004。

1)透波率隨夾層厚度的變化關(guān)系。圖3 是透波率與夾層厚度的變化曲線，由此可知:無(wú)論是水平極化，還是垂直極化，透波率都隨夾層厚度周期變化，當(dāng)夾層厚度在小于0.2λ和0.6λ(0.7λ 范圍內(nèi)，無(wú)論水平極化還是垂直極化，透波率都滿足要求。

2)透波率隨蒙皮厚度的變化。由圖4 可知，透波率隨蒙皮厚度呈現(xiàn)周期衰減變化趨勢(shì)，當(dāng)蒙皮厚度在小于0.025范圍內(nèi)時(shí)，透波率都大于85%，因此蒙皮的厚度可以選擇在這個(gè)范圍內(nèi)。(f= f0入射角θ0=0°，蒙皮厚d=0.02λ0)

圖3 透波率隨芯層厚度的變化關(guān)系曲線

圖4 透波率隨蒙皮厚度的變化關(guān)系曲線(0 ＜d1≤λ)

圖5 透波率隨蒙皮厚度變化關(guān)系曲線(0 ＜d1≤0.02λ)

3)透波率隨頻率的變化。圖6 是透波率與頻率的變化關(guān)系曲線，由此可知:隨頻率升高，傳輸系數(shù)下降。在相同的頻率下，水平極化的透波率優(yōu)于垂直極化的透波率，在工作頻率范圍內(nèi)，水平極化和垂直極化的透波率都大于85%。

圖6 透波率隨頻率的變化關(guān)系

3 天線罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮該型雷達(dá)工作頻帶覆蓋較寬，強(qiáng)度要求高的特點(diǎn)，采用9 層多夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外蒙皮采用玻璃纖維加環(huán)氧樹(shù)脂;中間層采用低介電常數(shù)、低損耗、低密度的紙蜂窩芯層。利用電磁仿真軟件HFSS 對(duì)所設(shè)計(jì)天線罩的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線罩總厚度24.3 mm，并對(duì)其電氣性能進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。圖7 給出了天線罩的仿真模型，圖8 和圖9 給出了該天線罩電氣性能的仿真結(jié)果。

圖7 天線罩仿真模型

圖8 高頻(低頻)工作頻段的駐波

圖9 高頻(低頻)工作頻段內(nèi)的插入損耗

由圖8 和圖9 可知，該天線罩在高頻工作頻段的駐波VSWR ＜1.02，插入損耗S ＜0.003 dB;在低頻工作頻段的駐波VSWR ＜1.26，插入損耗S ＜0.06 dB。從仿真結(jié)果來(lái)看，該天線罩的電氣設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期，完全能夠滿足部隊(duì)需求。

4 天線罩的測(cè)試

在天線罩的實(shí)際制作過(guò)程中，會(huì)受到如介質(zhì)材料切割壓制的尺寸精度、介電常數(shù)均勻程度等材料本身以及材料加工工藝等諸多因素的影響而帶來(lái)誤差。本文對(duì)設(shè)計(jì)加工的天線罩樣品進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試。

4.1 測(cè)試項(xiàng)目

天線罩的主要電氣性能表現(xiàn)為天線罩的透波性能及天線罩對(duì)天線駐波性能的影響兩個(gè)方面。天線罩的透波性能反映了功率傳輸性能，即天線罩對(duì)天線輻射能量的單程損耗，而其對(duì)天線駐波的影響反映了天線罩的功率反射性能，即加裝天線罩后反射波能量的大小變化。鑒于此，對(duì)天線罩的功率傳輸性能及反射性能進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。

4.2 測(cè)試方法

1)功率傳輸性能的測(cè)量。天線罩功率傳輸性能的測(cè)量，目的在于鑒定天線罩對(duì)微波能量的透射特性，可用傳輸系數(shù)來(lái)表征。它反映了天線罩對(duì)天線輻射的單程損耗，該損耗由材料熱耗，層間反射損耗和相位失配損耗3 部分組成。天線罩透波率可通過(guò)測(cè)量天線罩的插入損耗值來(lái)計(jì)算得到，其測(cè)量裝置的框圖如圖10 所示。

圖10 天線罩功率傳輸性能測(cè)試框圖

天線罩傳輸系數(shù)的具體測(cè)試步驟如下［1］:

測(cè)量時(shí)，待測(cè)天線固定，用于接收。先不加天線罩，收發(fā)天線瞄準(zhǔn)，保持信號(hào)源輸出穩(wěn)定，測(cè)量天線的接收功率作為參考電平U0;

裝上天線罩，在所要求的掃描角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)天線罩，并自動(dòng)微調(diào)源天線位置，使波束軸線瞄準(zhǔn)待測(cè)天線，記錄接收電平U1;

采用比較法，利用測(cè)量所得到的功率接收電平及參考電平可計(jì)算得到天線罩的插入損耗值:S=U0-U1。

天線罩的傳輸系數(shù)T 可通過(guò)換算式(1)計(jì)算得到:

2)功率反射性能的測(cè)量。天線罩的功率反射性能可通過(guò)比較待測(cè)天線加裝天線罩前后天線輸入駐波比的變化來(lái)體現(xiàn)，測(cè)試框圖見(jiàn)圖11。

圖11 天線罩功率反射性能測(cè)試框圖

具體測(cè)試步驟如下:按所需的頻段和采樣間隔進(jìn)行測(cè)量端口校準(zhǔn);接入天線，先不加天線罩，按與校準(zhǔn)時(shí)相同的頻段和采用間隔進(jìn)行測(cè)量;記錄所需頻率的電壓駐波比V0;裝上天線罩，記錄對(duì)應(yīng)頻率的電壓駐波比V1。

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果及結(jié)論

天線罩電氣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 天線罩測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在X 波段該天線罩的插入損耗S≤0.39 dB，相應(yīng)的透波率為T(mén)≥91.4% ;L 波段天線罩的插入損耗S≤0.25 dB，相應(yīng)的透波率T≥94.4%。另外，由表1可看出，加裝天線罩前后天線的電壓駐波比變化很小，說(shuō)明該天線罩對(duì)天線的駐波性能影響很小。

對(duì)比仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果，天線罩插入損耗的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值略有差別，主要是由于天線罩制作過(guò)程中材料本身以及材料加工工藝等限制因素而引入的誤差，另外還有天線罩測(cè)試過(guò)程中儀器精度和測(cè)試精度等方面的影響。但是從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，誤差遠(yuǎn)在可以接受的范圍。通過(guò)實(shí)測(cè)及結(jié)果分析，該天線罩的電氣性能良好，完全可以滿足部隊(duì)的使用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用微波等效網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合HFSS 仿真軟件設(shè)計(jì)制作了某型引進(jìn)雷達(dá)的天線罩，經(jīng)過(guò)實(shí)際校飛，獲得了令人滿意的結(jié)果，確保該型雷達(dá)在惡劣環(huán)境條件下正常工作。該型雷達(dá)天線罩的國(guó)產(chǎn)化減少了對(duì)裝備引進(jìn)方的依賴，有效縮短了裝備維修周期，節(jié)約了維修成本。

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