(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041； 2.中國人民解放軍91428部隊(duì)，浙江 寧波 315400；3.中國人民解放軍93808部隊(duì)，蘭州 730109)

0 引言

機(jī)載天線罩是與天線配套的重要部件，它安裝在機(jī)體上保護(hù)天線免受不利環(huán)境危害，以此增加天線的使用壽命，保證天線正常的工作效率。天線罩在保護(hù)天線的同時(shí)還要滿足天線發(fā)射接收的全部電性能要求，即對電磁波信號(hào)的傳輸具有最小的波瓣畸變和功率吸收，天線罩的透波率是天線高效工作的重要保證。天線罩在使用過程中可能會(huì)因?yàn)槔匣p傷等原因造成透波性的下降，會(huì)導(dǎo)致天線輻射的主瓣衰減，副瓣電平升高，一定程度上會(huì)降低所附屬機(jī)載設(shè)備的作用距離和工作精度[1]。另外，由于不同種類的天線罩有特殊的外型構(gòu)造設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和壁厚的不同也會(huì)導(dǎo)致天線罩不同的位置上透波率的變化。因此，在天線使用過程中必須要掌握天線罩的透波率情況，尋求科學(xué)合理的天線罩的透波率測試方法，研究電磁波入射角度、極化方式、天線罩損傷等因素對天線罩透波率的影響，對天線罩的透波率開展測試研究，有利于指導(dǎo)天線罩的維護(hù)與使用，還可以為天線罩電性能的改進(jìn)提供有力支撐。

1 天線罩透波率

1.1 天線罩類型

根據(jù)罩壁結(jié)構(gòu)形式，天線罩可分為以下幾種類型：A型夾層、B型夾層、C型夾層、單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)以及含金屬物的人工介質(zhì)等[2]。機(jī)載天線罩常采用A型夾層。如圖1所示，A型夾層由兩層介電常數(shù)較低的芯層所組成，具有能量損耗低的特點(diǎn)，芯層厚度有特殊的要求，可以使電磁波在兩層蒙皮上的反射抵消。A型夾層罩大多使用有機(jī)材料制造，可以獲得較高的力學(xué)強(qiáng)度，但是為了獲取較高的隔熱性能，使罩內(nèi)天線在高溫下得到保護(hù)，有些A型夾層罩使用了無機(jī)材料制備的夾層，以滿足天線罩透波性較高的要求。

圖1 A夾層天線罩結(jié)構(gòu)

1.2 透波率

電磁波在透過天線罩時(shí)會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的傳播和反射造成一定的衰減，這種特性稱為天線罩的透波性。天線罩透波性常采用透波率描述。

假設(shè)電磁波透過天線罩在電場遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的最大輻射功率P1，相同條件下電磁波透過沒有天線罩的空間在電場遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的最大輻射功率為P0，則透波率T2可用式(1)表示，透波率也稱為功率傳輸系數(shù)。

(1)

天線罩的好壞極大程度上由透波率決定，透波率直接影響到天線工作的作用距離，天線罩的透波率越高，信號(hào)的衰減越少，天線的工作距離就會(huì)越遠(yuǎn)。表1為不同類型天線罩對透波率的要求。

表1 常見天線罩透波性率

1.3 影響透波率因素

天線罩的罩壁是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不同種類的天線罩的設(shè)計(jì)和制作工藝也有很大區(qū)別，不同結(jié)構(gòu)的天線罩會(huì)使電磁波在它內(nèi)部傳輸和投射的特性千差萬別。對于天線罩而言，它的電學(xué)性能一般由其電學(xué)厚度所決定，而電學(xué)厚度又跟天線罩的結(jié)構(gòu)厚度、介電性能(損耗角的正切值和介電常數(shù))、能量損耗、工作頻率、結(jié)構(gòu)形式等多方面因素有關(guān)[3-4]。

1.3.1 結(jié)構(gòu)厚度

天線罩的結(jié)構(gòu)厚度對其電學(xué)性能的影響是成指數(shù)級(jí)變化的，不同型號(hào)的天線罩使用的材料厚度都有嚴(yán)格的規(guī)定。天線罩想要在毫米波段獲得高的透波性能，必須設(shè)計(jì)特殊的物理結(jié)構(gòu)，減小其結(jié)構(gòu)厚度，比如夾層結(jié)構(gòu)、單層薄壁結(jié)構(gòu)等。薄壁結(jié)構(gòu)要求天線罩的結(jié)構(gòu)厚度要小于電磁波波長的1/20，假設(shè)天線工作的頻帶為2～18 GHz時(shí)，設(shè)計(jì)出來的天線罩的結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)當(dāng)小于1 mm，雖然這樣可以滿足對天線罩透波率的要求，但是無法承受飛行器飛行時(shí)的高速運(yùn)動(dòng)引起的巨大壓力，其強(qiáng)度不足以保護(hù)內(nèi)部的天線正常工作，這種結(jié)構(gòu)只能在對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求不高的場合中使用。

1.3.2 介電性能

當(dāng)介質(zhì)材料處于交變的電磁場之中時(shí)，其本身會(huì)反復(fù)被極化，這才引發(fā)了材料的介電性能，而在其受到極化以后，會(huì)產(chǎn)生一種電荷，名叫受敷電荷，這種電荷的組合形成的電場方向與原電場方向是相反的，也就是說外加電場受到了削弱[4]。電介質(zhì)的介電性能與選用的透波材料的電阻率、損耗角正切和介電常數(shù)有關(guān)。在計(jì)算材料的透波性能時(shí)，電阻率不能用來評價(jià)微觀電性能的變化，常使用損耗角正切tanδ和介電常數(shù)ε來描述。電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)的反射系數(shù)與介電性能的關(guān)系如下：

(2)

可見，材料的介電常數(shù)越大，電磁波在天線罩內(nèi)受到的反射越大，此時(shí)透波率會(huì)受到影響，并且大的介電常數(shù)要求的天線罩結(jié)構(gòu)厚度就要更薄，因此也影響了其力學(xué)性能。

1.3.3 能量損耗

現(xiàn)代新型材料一般都具有低介質(zhì)損耗的特點(diǎn)，工程上天線罩采取這類材料可以有效地提高它的工作性能，使其具有較低的吸收率和反射率、較高的透波率。電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播，遵守相應(yīng)的能量守恒規(guī)律：

|T|2+|R|2+L=1

(3)

對于一般的極化波而言，其電磁波的能量損失L與波長有如下關(guān)系：

(4)

由此可知，tanδ越大，電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)的熱損耗也就越大，為了保證傳輸效率，必須要求透波材料的介電常數(shù)和損耗角正切值要小。

2 透波率測試系統(tǒng)

常見的天線罩電性能測試方法有搜零法與電子定標(biāo)法，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)[5-6]。搜零法的精度較高，因?yàn)槠浔旧砟軌驅(qū)⒄`差的電壓放大處理，但是設(shè)備較大，搜零系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間長，以此帶來的是誤差的滯后性。而電子定標(biāo)法由于系統(tǒng)簡化了不少，所以不存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問題，可是它不是一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)過程，會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的積累，這就要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性必須足夠高才可以降低誤差。類似的天線罩電性能測試方法還有很多，如動(dòng)態(tài)跟蹤法、旋轉(zhuǎn)天線法等等，每一種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以根據(jù)需要在測試時(shí)選取適合的方法[7]。

本文采用微波暗室下的天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)測量天線罩電性能，該系統(tǒng)可以在無反射波、無背景噪聲的條件下對天線罩的透波率能進(jìn)行測試，可測頻帶范圍廣、測量參數(shù)多、實(shí)驗(yàn)的精度高。

2.1 天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)

如圖2所示，天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)是在基于微波暗室的場地上構(gòu)建完成的，能夠滿足一定頻率范圍和尺寸結(jié)構(gòu)的天線方向性測試需求，通過合理的方案設(shè)計(jì)，也可進(jìn)行天線罩的常用電性能參數(shù)的精確測試。天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)中主要包括：

1)測試用轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng);2)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射天線和接收天線;3)天線自動(dòng)測量系統(tǒng);4)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀;5)主控計(jì)算機(jī);6)待測機(jī)載天線罩;7)射頻電纜。

圖2 A 天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)組成

天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)采用AV3672B型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測試數(shù)據(jù)采集儀器，與安裝好的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和被測天線罩搭配起來使用，通過總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中，為了讓主控計(jì)算機(jī)能夠采集數(shù)據(jù)，還在主控計(jì)算機(jī)中安裝了相關(guān)的數(shù)據(jù)采集程序。采用微波暗室下的天線測量系統(tǒng)測試天線罩電性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)的頻帶較寬，能夠?qū)崿F(xiàn)0.1～40 GHz頻帶內(nèi)的透波率的測試。能夠測量電長度在符合測試系統(tǒng)要求范圍內(nèi)機(jī)載天線的方向圖、增益、3 dB帶寬等參數(shù)。

2)采用了電磁屏蔽技術(shù)。該天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)安裝于微波暗室內(nèi)，利用了屏蔽殼體，屏蔽門以及特殊的吸波材料，不僅滿足了暗室內(nèi)的無反射效果，還保證了電磁屏蔽效果符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

3)實(shí)現(xiàn)了測試儀器的控制。通過將標(biāo)準(zhǔn)SCPI命令通過GPIB總線發(fā)送給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)對測試參數(shù)的控制。通過RS232對轉(zhuǎn)臺(tái)的單片機(jī)發(fā)送控制指令，完成對轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速和角度的控制。

4)采用了基于時(shí)域校準(zhǔn)算法的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)的測試軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)采用了時(shí)域校準(zhǔn)算法，有效抑制了系統(tǒng)噪聲，減小毛刺，提高了測試精度和動(dòng)態(tài)范圍。

2.2 透波率測量方法

搭建如圖3所示的天線罩測試架構(gòu)，發(fā)射天線使用系統(tǒng)配套的喇叭天線，接收天線使用被測的平面螺旋天線，被測天線罩為平面螺旋天線配套天線罩。

圖3 天線罩透波率測試原理圖

將發(fā)射天線與矢網(wǎng)1端口相連，接收天線與矢網(wǎng)2端口相連。測試時(shí)必須保證發(fā)射支架的中心與接收支架的中心0°對準(zhǔn)，兩個(gè)支架之間必須要有合適的距離，距離過大會(huì)引起電磁波衰減過多，距離過小則導(dǎo)致前后兩次接收電磁波的方向圖差別較小不具備可比性。為了滿足天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)的要求，兩個(gè)支架間的距離由公式(5)得出：

R≥(D1+D2)2/λ

(5)

其中：fm為測試的最低頻點(diǎn)，c為光傳播的速度，λ為發(fā)射的電磁波波長，D1為發(fā)射天線的直徑，D2為接收天線的直徑，R為兩個(gè)支架之間的距離。

遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)中，信號(hào)增益等于接收天線接收信號(hào)的功率與發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)功率的比值，矢網(wǎng)分析儀通過總線可以接收到信號(hào)的增益，可以通過S21參數(shù)獲得，計(jì)算方法如(式)6所示。式中，Pr是接收天線的信號(hào)功率，Ps是發(fā)射天線發(fā)射的功率大?。?/p>

(6)

分別測量接收天線在裝配和卸載被測天線罩兩種情況下矢網(wǎng)分析儀的S21參數(shù)，記為S21(有)，S21(無)根據(jù)式(1)(6)、(8)，推導(dǎo)出透波率計(jì)算公式如式(7)所示：

|T|2=10(S21(有)-S21(無))*100%

(7)

通過該系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同極化方式、不同入射方向、不同頻率變化下的透波率測試，測試流程如圖4所示。

圖4 天線罩透波率測試流程圖

3 入射角度對小型天線罩透波率影響測試

選用某型機(jī)載測向天線及配套天線罩為測試樣品，該天線為平面螺旋天線，其天線罩的材料是玻璃鋼材質(zhì)，屬于A-夾層結(jié)構(gòu)天線罩，其外形為蛋卵形，如圖5所示。該天線罩外形尺寸較小，表面曲率較大，部位結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可能會(huì)對電磁波在介質(zhì)中的傳輸產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致天線的方向圖產(chǎn)生畸變，影響透波率。

圖5 平螺天線及加罩后實(shí)物圖

由于平螺天線的工作頻率是2～18 GHz，隨著工作頻率的增大，天線方向圖在后向上會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，有的時(shí)候數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生跳點(diǎn)，并且接近天線的頻率上限時(shí)，數(shù)據(jù)的可靠性會(huì)極大下降。因此，測試頻率范圍設(shè)置為2～16 GHz。

接下來利用該系統(tǒng)測試該型天線罩進(jìn)行測試，研究電磁波入射角度和頻率，對天線罩透波率的影響。

3.1 典型頻率下入射角度對透波率影響測試

根據(jù)雙臂螺旋線的理論分析，在2～18 GHz內(nèi)的寬帶范圍內(nèi)，后向輻射一部分經(jīng)背腔反射后，輻射將直接影響前向輻射，會(huì)導(dǎo)致天線方向圖發(fā)生畸變。在工作頻率較低的時(shí)候，后向輻射絕大部分可以被利用起來，在工作頻率增大的時(shí)候，方向圖的嚴(yán)重畸變會(huì)影響后向天線罩透波率的測量效果。因此，選取2 GHz，6 GHz，12 GHz三個(gè)具有代表性的頻點(diǎn)，對入射波入射角在前向-60°～+60°變化時(shí)的透波率進(jìn)行測試，透波率隨角度的變化情況如圖6所示。表2列出了在2 GHz，6 GHz，12 GHz頻點(diǎn)典型入射角時(shí)透波率大小。

圖6 頻率固定時(shí)天線罩透波率隨不同入射角的變化曲線

表2 天線罩不同入射角下透波率的變化

可以看出，頻率較低的情況下，天線罩的透波率保持在[90%，98%]之間，表現(xiàn)出了良好的透波性能，平螺天線接收信號(hào)的性能幾乎不受天線罩的影響，這說明在低頻段該天線罩可以較好的滿足透波率要求。隨著頻率的升高，入射角度對天線罩的透波率影響逐漸明顯，尤其是在頻率為12 GHz時(shí)，透波率在0°時(shí)達(dá)到最大值。隨著入射角的變大，透波率在0°～±30°內(nèi)出現(xiàn)下降趨勢。這說明，電磁波在介質(zhì)中傳輸?shù)妮椛涮匦猿霈F(xiàn)不同程度的波動(dòng)，當(dāng)頻率升高時(shí)，天線罩的外形和結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對透波率造成一定影響。

3.2 典型角度下頻率對透波率影響測試

為了進(jìn)一步研究不同角度下頻率變化對透波率的影響，選取±0°、±30°、±60°、±90°入射角度下測試不同頻率下時(shí)透波率的變化情況，如圖7所示。

從圖(a)中我們可以看出，當(dāng)入射角度為0°，即接收天線正對發(fā)射天線時(shí)，天線罩的透波率隨頻率的升略有下降，但變化趨勢不明顯，相比之下，對比圖(b)，(c)，(d)，隨著入射角的變大，頻率的升高對天線罩的透波率影響非常大，在較高頻段，大入射角情況下，天線罩的透波率有時(shí)甚至低于20%，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了平螺天線的正常工作，這說明了在設(shè)計(jì)天線罩的電性能的過程中，必須對頻段較高時(shí)的天線罩的透波率是否達(dá)到指標(biāo)要求列為考慮的重要因素，特別是此時(shí)天線罩的外形和結(jié)構(gòu)特征會(huì)對不同角度入射的電磁波產(chǎn)生不同程度的輻射，對天線罩的透波率影響較大。

綜合3.1與3.2的測試結(jié)果分析，得出的綜合結(jié)論如下：

1)入射角較小時(shí)，頻率的升高對天線罩的透波率影響不大，在發(fā)射天線與接收天線正對的情況下，透波率在所有頻點(diǎn)上基本保持90%以上，滿足天線罩的透波率要求。在大入射角的情況下，天線罩的透波率會(huì)隨著頻率的升高急劇下降，尤其是90°以上時(shí)，透波率有時(shí)不到50%，導(dǎo)致平螺天線在沒有正對目標(biāo)時(shí)接收電磁波的效率降低，極大限制了天線的作用距離和測向精度，這是由于在天線罩表面曲率大的時(shí)候，電尺寸參數(shù)會(huì)隨頻段升高而逐漸變大。

2)入射角度一定時(shí)，相同頻率下天線罩的不同表面的透波性能的區(qū)別也很大，這是由于天線罩在長期使用和維護(hù)后，部分空間可能出現(xiàn)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的。借助透波率測試可以通過對比透波率的變化判斷透波率下降的位置，從而針對性進(jìn)行維護(hù)。

圖7 入射角一定時(shí)天線罩透波率隨頻率的變化曲線

3)由于平螺天線獨(dú)特的背腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致天線后部無天線罩覆蓋，后向輻射也不能被天線接收，會(huì)與前向輻射相互作用，在入射角度大于30°時(shí)，天線罩的曲率較大，使得天線罩在高頻段、大入射角的透波性能表現(xiàn)非常差。

4 結(jié)語

機(jī)載天線罩是飛機(jī)上用于保護(hù)天線的重要部件，它在保護(hù)天線的同時(shí)還要保持滿足天線發(fā)射接收的全部電性能要求，即對電磁波信號(hào)的傳輸要求具有最小的波瓣畸變和功率吸收，天線罩在設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)中都需要關(guān)注的重透波率的情況。本文搭建了一種微波暗室下以天線遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)為主的天線罩測試平臺(tái)，推導(dǎo)了透波率測試方法，設(shè)計(jì)了測試流程，并通過該系統(tǒng)對某型機(jī)載小型天線罩的實(shí)物測試。掌握入射角及頻率等對天線罩透波率的影響特性，一方面可以改進(jìn)天線罩的外形設(shè)計(jì)，另方面可以針對性的指導(dǎo)天線罩的使用維護(hù)，這對于提高天線系統(tǒng)的整體性能具有十分重要的意義。