錢俊輝 卿海

摘 要：基于對天線陣列進行相關(guān)保護，以及盡量減緩對天線陣列的方向圖、增益的影響，穩(wěn)重提出以復合材料為基礎(chǔ)的天線罩設(shè)計。在A夾層架構(gòu)基礎(chǔ)上，將芯層設(shè)計成蜂窩周期性的構(gòu)造，并通過對等效電磁參數(shù)研究實現(xiàn)介質(zhì)材料的介電常數(shù)的規(guī)律性改變，進而對天線罩的透射系數(shù)進行相關(guān)調(diào)整。在進行雷達天線罩電磁性能改進時候，將遺傳算法和等效傳輸線理論相結(jié)合來得到使蜂窩介質(zhì)平板的透波性能最優(yōu)的介電常數(shù)，從而提升天線罩整體功能。利用仿真實驗對提出的方法進行測試，仿真結(jié)果證明了此方法可行性。

關(guān)鍵詞：復合材料;天線罩;蜂窩周期性結(jié)構(gòu);遺傳算法;雷達

隨著我國國防事業(yè)的不斷進步，各個國家開始了對不同規(guī)模的相控陣雷達的研究。由于其含有波束指向靈活的特點，進而實現(xiàn)了在沒有慣性的情況下進行掃描的有點，并且快速成為了提升防空導彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能有力武器[1]。為了避免風、雨、雷電等惡劣天氣對相控陣雷達天線陣列的影響，對于天線罩的研發(fā)受到了廣泛的關(guān)注，并將其應用在對其他天線進行保護方面。

1基于復合材料的雷達天線罩

對于天線罩的安裝，是將其安裝在天線陣列外側(cè)，進而可以有效的對硬件結(jié)構(gòu)起到保護的作用。在進行設(shè)計的過程當中常常會用到電磁學、力學、熱學等不同的科目。為了可以使力學和熱學在各項標準上與平面雷達天線陣列共形，本文通過使用復合材料、多層的平板結(jié)構(gòu)對天線罩進行相關(guān)的設(shè)計，在橫截面使用了A夾層結(jié)構(gòu)方式，詳細結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于A夾層結(jié)構(gòu)來說，其包括了兩層蒙皮、兩層膠層和一層芯層。圖中顏色較深部分主要是由介質(zhì)材料中介電常數(shù)的數(shù)值較高所引起的，而顏色較淺的是由于介電常數(shù)的數(shù)值較低所引起的。而中間白色部分就是不同介質(zhì)材料之間粘結(jié)的膠層。一般來說，外層所使用的是質(zhì)量較好的高介電常數(shù)蒙皮，在進行材料選擇時，選用了線膨脹系數(shù)低、在高溫度中穩(wěn)定性較強、介電性能較好，進而可以制造出質(zhì)量、性能較好的氰酸酯基石英纖維復合材料以及泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)的芯層。

2天線罩輻射性能優(yōu)化

對于天線罩輻射、散射和透波特性來說，其是受到自身的架構(gòu)、材料和身處的環(huán)境影響。在進行天線罩加工過程中，電磁性能可能會出現(xiàn)差異性，所以要對自身進行相關(guān)的優(yōu)化 進而達到最優(yōu)狀態(tài)。對復合材料的天線罩進行相關(guān)優(yōu)化主要是通過遺傳算法，然后使用目標函數(shù)、約束條件等不同的方面對復合材料雷達天線罩的電磁性能進行詳細分析。為了可以讓雷達天線罩的透射系數(shù)盡可能地好，需要在保證蒙皮厚度情形下，對蜂窩結(jié)構(gòu)的大小進行改善，從而得到正常的蜂窩結(jié)構(gòu)的。這一節(jié)主要通過遺傳算法當做雷達天線罩投射性能的主要算法，然后通過等效傳輸線理論進而對蜂窩介質(zhì)平板的透波相關(guān)性能進行計算。在進行改善的過程當中，一個良好的適應度函數(shù)對改善的結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。

進行改善的過程如下：

（1）要確定天線罩的改善目標、約束條件、設(shè)計變量。在使用遺傳算法時要對其參數(shù)進行相關(guān)的設(shè)定然后通過隨機的方式產(chǎn)生初始的種群;

（2）要對天線罩的相關(guān)架構(gòu)進行網(wǎng)格離散華，進而構(gòu)建起有限元模型以及入射角范圍;

（3）對初始種群所包含的每一個個體進行相關(guān)的記錄，并通過有效傳輸線理論協(xié)助進而得到雷達天線罩平板的透波系數(shù)大小;

（4）在初始種群中在不同的度數(shù)值搜索最好的個體，然后記錄下來;

（5）在進化的過程中，要對種群進行選擇、交叉、變異等操作，然后讓其生成新的種群然后返回到步驟（3），如此進行循環(huán)，直到最終設(shè)定的次數(shù)為止;

（6）最后要把各個參數(shù)進行記錄，然后利用等不同的平臺進行相關(guān)考證。在上述過程中，種群所有的個體都要進行適應度的相關(guān)計算。所得出的數(shù)據(jù)與個體電磁性能、熱學和力 學性能相關(guān)聯(lián)，然后將數(shù)據(jù)輸送到軟件中進行處理，進而增強天線罩整體的改善速度。

3仿真驗證與數(shù)據(jù)分析

基于上面的所述的思想，進而驗證其的可行性。選用電磁仿真三維設(shè)備對介質(zhì)平板透波性進行相關(guān)性能仿真。對于外蒙皮的材料選擇氰酸酯基石英纖維復合材料，主要是由于其質(zhì)地好、膨脹系數(shù)低、穩(wěn)定輕強、易于加工等特點。在進行芯層蜂窩周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要選擇環(huán)氧復合材料，然后通過改善，此材料的相對介電常數(shù)為。圖2展現(xiàn)出雷達平板天線罩芯層蜂窩結(jié)構(gòu)的和幅度與相位隨頻率之間的變化趨勢。由圖可以看出S11和S12幅度跟隨頻率的增加而降低，但是相位卻與之相反。

不斷地對蜂窩單元的參數(shù)進行改變，進而將整體的介電常數(shù)也隨著改變，與此同時，介質(zhì)的等效介電常數(shù)可以通過 S11和S12兩者計算得出。資料顯示，雷達平板天線罩蜂窩結(jié)構(gòu)等效介電常數(shù)會隨著頻率的變化而變化，兩者呈負相關(guān)關(guān)系，即等效介電常數(shù)增加時，頻率則呈逐漸減低趨勢，之后變化的幅度越來越小。

天線罩的有和沒有對整體的天線 S11幅度和增益都產(chǎn)生了重大影響，即：天線罩存在時，對于天線 S11幅度和增益是存在一定消耗的，進而讓天線電磁本身所含有的性能逐漸向低頻發(fā)展。造成這個現(xiàn)象的主要原因是由于本文中天線罩對于天線輻射的電磁波進行了反射，進而與天線產(chǎn)生了耦合。最后也是最重要的一點，本文進行設(shè)計的天線罩通過相關(guān)的性能測試發(fā)現(xiàn)與總體的趨勢相吻合，進而可以說明天線罩對于天線的影響是微乎其微的。

結(jié)論：

本文主要是通過使用復合材料進行天線罩設(shè)計。其平板的天線罩使用了A夾層結(jié)構(gòu)，將酯基石英纖維復合材料當做蒙皮材料，然后芯層使用的是泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)。經(jīng)過等效電磁參數(shù)可以對介質(zhì)材料中介電常數(shù)進行改變，進而對天線罩的透射系數(shù)加以控制。另外，通過使用遺傳算法完善了天線罩輻射所具有的相關(guān)性能。從最終的測試結(jié)果來看，本文所描述的天線罩經(jīng)過改善之后對天線罩電磁性能起到了完善的作用，從而其可以被真實用于天線罩的設(shè)計過程當中。

參考文獻：

[1]佟文清.基于復合材料的雷達天線罩設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2020，28（04）：23-27.

[2]喬雷. 一種有源相控陣雷達天線艙復合材料屏蔽板的結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計[C]. 中國造船工程學會電子技術(shù)學術(shù)委員會.2019年船舶電子自主可控技術(shù)發(fā)展學術(shù)年會論文集.中國造船工程學會電子技術(shù)學術(shù)委員會：中國造船工程學會，2019：122-125.

[3]佟文清，李磊，白一峰.耐高溫復合材料選型及在大功率雷達天線罩上的應用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（09）：173-174.

[4]佟文清.耐高溫雷達天線罩上的樹脂基復合材料應用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（09）：87.