超高音速GPS天线罩的仿真与分析*

王丽黎，张 琳，席晓莉

(西安理工大学自动化与信息工程学院，西安710048)

超音速飞行器，由于高马赫数的飞行速度，需要加天线罩以防止恶劣环境对飞行器内部GPS天线通信设备的影响，此时天线罩的材料不仅要起到防热、承载、导流的作用，还要特别考虑的是天线罩的透波能力。普通设计好的天线在加罩后各项性能会不同程度恶化。本文对单层平板的电磁特性分析作为理论分析，在此基础上使用HFSS软件进行仿真并分析平板天线罩的点电性能。

1 天线罩特性

天线罩的位置处在天线近场区域，它的存在必然对天线的辐射和散射特性产生影响。衡量天线罩的电性能主要有透波率、瞄准误差、插入相位延迟、交叉极化电平等［1-2］。

目前对天线罩的分析方法主要有几何光学法、物理光学法、矩量法、平面谱法及有限元法等［2-3］，考虑到精度及计算复杂性，本文选取基于几何光学近似的射线跟踪法。根据几何光学理论，电磁波的波动可用射线跟踪技术来代替，即在平面波中一条射线照射在平面上，通过边界场的连续性条件，求得反射波与透射波的射线位置、大小，方向。天线俯视图如图1所示。

图1 GPS L1频段天线俯视图

2 GPS天线罩的数值分析

2.1 天线罩电介质的平板特性

设均匀介质的单层平板由介质db组成，相对介电常数为εb，损耗角正切 tanδb。由图3可见，一次反射线与零次反射线之间的行程差，或传播因子为Fb，可推导出电波在介质 b中的传播因子 Fb=Abejφb。

其中，Ab为吸收因子，φb为程差因子。

天线罩系统示意图如图2所示。

图2 天线-罩系统示意图

图3 单层介质的传输特性

2.2 单层平板的等效折射率［3］

对于垂直入射和水平入射情况，反射系数rab有相同的形式:rab=rab0e-jφab，其中

nab为等效折射系数，kab为等效相位滞后因子，ψab取主模。

2.3 无损半波长平板的最佳厚度与性能

式(3)是无耗半波长平板最佳罩壁厚度公式，图4给出了三种无耗材料情况下，GPS L1波段半波长天线罩对于不同入射角的罩体厚度随介电常数的曲线图。

图4选用了三种无耗高温热防材料［4］，相对介电常数分别为4.0、4.5、5.6。可看出，对于同一介电常数，随波入射角的增大，半波长罩壁变厚;在相同入射角时，罩厚随着介电常数的减小而变厚。

图4 最佳半波长天线罩厚与介质的关系

2.4 GPS L1波段半波长天线罩的透波率

图5为单层平板结构天线罩在1 GHz～2 GHz范围内透波率的情况。天线罩材料为εr=4.5，tanδ=0.001，图5分别给出垂直极化和水平极化两种情况下，天线罩介质厚度在最佳厚度时的透波率。

图5 天线罩透波率

分析看出:相同入射角时，平行极化比垂直的透波率好;且每种极化情况都随入射角的增大透波率变差。此外，由于其材料厚度选用的是GPS L1频率对应的介质的半波长，所以，这种罩体出现频率选择特性。

2.5 薄壁罩的传输特性

由于半波长壁厚结构，使得天线罩壁过厚，这样不便于安装，也引起相应的承重的负担［5-6］。所以，这里采用薄壁结构进行天线罩壁厚设计。其功率传输系数的有效近似公式如下:

由此看出，当罩壁厚度越小的情况下，功率传输系数越大，所以在满足力学要求、热防性能、防烧蚀性能的情况下，设计使得罩壁厚度越小越好。薄壁罩的水平极化与垂直极入射时的传输系数如图6所示。

图6 传输系数示意图

3 GPS L1频段天线罩系统的仿真

3.1 GPS L1频段圆极化微带天线的仿真特性

由于剖面低及易于共性等因素，微带广泛应用与GPS卫星天线［7-8］，本文选用图1所示圆形微带贴片天线，其介质的 εr=6.15，tanδ=0.002 5，介质厚度3.175 mm，圆形贴片半径21.46 mm，接地基板尺寸为L×L=75 mm×75 mm，采用50 Ω 的同轴馈电。各项电性能如表1所示。

表1 GPS L1频段天线的电特性

3.2 天线罩系统仿真

这里选择天线罩的尺寸为200 mm×200 mm的单层平板结构，考虑到GPS的俯仰角为水平面上5°以上，所以限制天线的口径面高度H＜sin5°=0.0872×100=8.72 mm。在HFSS 11软件内进建模，设置1/4波导波长作为空气腔，进行加罩仿真，主要考虑天线罩材料，罩壁厚度Hr，天线口径面高度H及接地板大小L等因素。

3.3 仿真结果分析

薄壁结构，罩壁的电气厚度小于0.05倍的波长，材料为目前热防材料的研究重点氮化硼陶瓷的一种，IPBN，其分解温度达到3 000℃，常温时εr=3.1，tanδ=0.000 3;1 000 ℃时 εr=3.3，tanδ=0.000 8［9-10］。

表2是经过仿真后的部分数据，天线罩厚度Hr从3 mm到7 mm进行变化，天线罩体系的仿真结果在S11、增益，特别是轴比有不同程度的恶化，通过增大天线接地板的尺寸，可以改善天线罩对电磁波的反射影响，从而得出性能良好的天线罩体系。表2中第四组数据为较好的一组结果(AR代表轴比)。

表2 天线罩仿真数据

4 结论

本文从两个方面分析讨论了GPS天线罩的特性，第一部分基于几何光学-射线追踪法理论分析GPS单层天线罩的透射与传输特性，第二部分模拟实际情况下的超高速飞行器下天线罩的电磁环境，使用Ansoft HFSS软件建模仿真，分析影响天线罩的参数的特性得出性能良好单层平板薄壁GPS罩结构，给出了仿真结果并进行了分析。

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