一种新型双频天线罩设计_吴秉横

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ＡＥＲＯＳＰＡＣＥ ＳＨＡＮＧＨＡＩ
第 ３２ 卷 ２０１５ 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 。
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 。
（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｆｏｒ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３８，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒａｄｉｏ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）
关键词：天线罩；双频；功率传输系数；Ａ 夹层 中 图 分 类 号 ：ＴＮ８２０．８１ 文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｄｕａｌ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒａｄｏｍｅ
ＷＵ Ｂｉｎｇ－ｈｅｎ１，２，ＧＵ Ｈａｏ２，ＦＥＮＧ Ｈｏｎｇ－ｑｕａｎ２，ＹＵ Ｘｉｎｇ２，ＬＩＵ Ｙｕａｎ－ｙｕｎ１，２
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ａ－ｌａｙｅｒ ｒａｄｏｍｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｗｏｒｋ ｉｎ Ｃ ａｎｄ Ｋａ ｂａｎｄ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｒｅ，ｔｈｅ ｒａｄｏｍｅ ｃｏｕｌｄ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｇｏｏｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｔ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｄｕａｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄｏｍｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｔｅｎｎａ－ ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｇｌｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｏｓｓｅｓ ｗｅｒｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １．５ｄＢ ａｔ ｔｗｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎ Ｃ ａｎｄ Ｋａ ｂａｎｄ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕａｌ－ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄｏｍｅ．
＝
烄Ｚｃ０，／／ 烅烆Ｚｃ０，⊥
＝ ｃｏｓθ， ＝ １／ｃｏｓθ．
（８）
此处：ε·ｎ 为相对复介电常数，且ε·ｎ ＝εｎ（１－ｊｔａｎδｎ）；
·
μｎ
为 相 对 磁 导 率 ，对 天 线 罩 壁 各 层 ，μ·ｎ
＝ １ ；Ｚｃｎ 为 用
Ｚ０ ＝ 槡μ０／ε０ ＝１２０π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］。
收 稿 日 期 ：２０１３－０３－１２；修 回 日 期 ：２０１３－０７－１１ 作 者 简 介 ：吴 秉 横 （１９８２— ），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 。 ［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。
摘 要：对一种可同时工作于 Ｃ，Ｋａ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，Ｋａ波段内两个频点内的传输损耗小于１．０５ｄＢ，满足双频天线罩的应用需求。
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１ Ａ 夹层天线罩的罩壁结构 Ｆｉｇ．１ Ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ａ－ｌａｙｅｒ ｒａｄｏｍｅ
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 Ｔ ２ 。
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
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文 章 编 号 ：１００６－１６３０（２０１５）０１－００４５－０３
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 ２００４３８；２．上海无线电设备研究所，上海 ２０００９０）
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。
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。
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吴 秉 横 ，等 ：一 种 新 型 双 频 天 线 罩 设 计
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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 。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒａｄｏｍｅ；Ｄｕａｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；Ａ－ｌａｙｅｒ
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％