某型雷达天线罩的国产化

2015-07-01秦建军

兵器装备工程学报 2015年2期

管军，秦建军，时剑

(解放军94804 部队，上海 200434)

雷达天线罩的作用是保护雷达天线，使其免受雨雪、冰雹、闪电及飞鸟等因素的侵害，避免了因气候与环境原因造成的雷达性能下降，甚至关机，同时还可以缓解因气温骤降、太阳辐射、潮湿、盐雾对天线系统的影响，因此也大大简化和减轻了天线系统的日常维护修理工作，延长露天雷达的使用寿命。某型引进雷达长期在沿海湿热多雨高盐腐蚀环境中服役，因天线罩破损，导致天线内部积水，雷达出现大量杂波，无法稳定跟踪目标，严重影响了装备的日常使用。由于引进产品价格昂贵且采购周期较长等原因，某部决定进行国产化替代，组织技术骨干经过多方调研，采用较为直观的微波等效网络法分析了天线罩传输系数随频率、层厚的变化关系，通过HFSS 进行仿真优化设计，得到了天线罩设计最佳结构参数，为天线罩的设计提供了理论依据，最终设计了符合指标要求的天线罩，经过实际测试，获得了令人满意的结果，确保该型雷达在恶劣环境条件下正常工作。该型雷达天线罩的国产化减少了对装备引进方的依赖，有效缩短了装备维修周期，节约了维修成本，无论在技术创新理念，还是军事、经济效益方面都具有重要的现实意义。

1 天线罩性能设计指标

某型雷达天线罩电性能指标主要有:天线罩工作频率在X 波段和L 波段;天线罩透波率≤85%。

2 天线罩电性能设计

2.1 天线罩的结构选择

天线罩的结构形式主要有薄壁型、半波长壁型和夹芯结构型。薄壁型要求壁厚度d ＜0.02λ，它具有相当高的电磁透波率，但机械强度极低。半波长壁型其厚度约等于半个波长，可在较大的入射角范围内获得较好的传输特性和均匀的插入相位移，但频带较窄，结构重量重。夹芯结构型是由具有较高介电常数且厚度很小的内外蒙皮和一个低介电常数的夹芯层组成。其中夹芯结构型又分为A -夹层结构、B -夹层结构和多夹层结构(包括C-夹层)。A-夹层结构适用于流线罩，具有良好的重量为强度比，而且能设计成在小到中等入射角的情况下反射很低，可实现最大功率传输，减小天线相位畸变。B-夹层结构，它对材料要求比较高，为保证匹配，获得良好的透过系数，中间层介电常数为外层介电常数的均方值。多夹层结构透过性较好，重量轻，可在较大入射角范围内获得较高的传输性能，可用于高度流线型罩，适合结构强度高的场合，但插入相位移随入射角变化剧烈［1-4］。

根据某型雷达战技指标，频带宽、重量轻、双频段工作等特点，同时考虑到机械强度等综合因素［5-7］，设计方案采用了多夹层天线罩。

图1 天线罩常见壁结构

2.2 多夹层天线罩的四端网络等效

对于多夹层结构天线罩，运用传输线理论，把多层平板等效为一个级联的四端口网络，通过这个等效的网络，任意多层介质平板的透过系数、发射系数，就可用一个简捷通用的公式来表达［8］。

1)多层平板的传输矩阵

式(1)中:

2)多层介质平板的反射系数

式(6)中，B' =B/Zc0，C' =C/Zc0。

3)多层平板的透过系数

4)多层介质平板引起的插入相移

式(8)中d=d1+d2+……+dN为多层介质平板的总厚度。

依据等效四端网络传输矩阵建立数学分析模型，并借助计算机数值计算软件，如MathCAD、MatLad 等或者语言编程的方式，可以很方便地研究多夹层结构天线罩的电磁特性与其物理结构和工作频率之间的变化关系，以此为依据即可选择合适的材料，确定天线罩的物理结构及尺寸。

2.3 A-夹层结构透波率及结构设计

多夹层结构可以看作多个A-夹层结构的叠加，结构示意图如图2 所示。这里首先以A-夹层结构作为研究对象，探求透波率与工作频率、芯层厚度、蒙皮厚度之间的关系，以便初步确定夹层的物理结构关系。

图2 A-夹层结构示意图

内外蒙皮采用玻璃纤维加环氧树脂:ε1=4. 2，tgδ1=0.015;中间层采用低介电常数、低损耗、低密度的纸蜂窝芯层:ε2=1.15，tgδ2=0.004。

1)透波率随夹层厚度的变化关系。图3 是透波率与夹层厚度的变化曲线，由此可知:无论是水平极化，还是垂直极化，透波率都随夹层厚度周期变化，当夹层厚度在小于0.2λ和0.6λ(0.7λ 范围内，无论水平极化还是垂直极化，透波率都满足要求。

2)透波率随蒙皮厚度的变化。由图4 可知，透波率随蒙皮厚度呈现周期衰减变化趋势，当蒙皮厚度在小于0.025范围内时，透波率都大于85%，因此蒙皮的厚度可以选择在这个范围内。(f= f0入射角θ0=0°，蒙皮厚d=0.02λ0)

图3 透波率随芯层厚度的变化关系曲线

图4 透波率随蒙皮厚度的变化关系曲线(0 ＜d1≤λ)

图5 透波率随蒙皮厚度变化关系曲线(0 ＜d1≤0.02λ)

3)透波率随频率的变化。图6 是透波率与频率的变化关系曲线，由此可知:随频率升高，传输系数下降。在相同的频率下，水平极化的透波率优于垂直极化的透波率，在工作频率范围内，水平极化和垂直极化的透波率都大于85%。

图6 透波率随频率的变化关系

3 天线罩的优化设计

综合考虑该型雷达工作频带覆盖较宽，强度要求高的特点，采用9 层多夹层结构，内外蒙皮采用玻璃纤维加环氧树脂;中间层采用低介电常数、低损耗、低密度的纸蜂窝芯层。利用电磁仿真软件HFSS 对所设计天线罩的尺寸进行了优化设计，天线罩总厚度24.3 mm，并对其电气性能进行了验证计算。图7 给出了天线罩的仿真模型，图8 和图9 给出了该天线罩电气性能的仿真结果。

图7 天线罩仿真模型

图8 高频(低频)工作频段的驻波

图9 高频(低频)工作频段内的插入损耗

由图8 和图9 可知，该天线罩在高频工作频段的驻波VSWR ＜1.02，插入损耗S ＜0.003 dB;在低频工作频段的驻波VSWR ＜1.26，插入损耗S ＜0.06 dB。从仿真结果来看，该天线罩的电气设计达到预期，完全能够满足部队需求。

4 天线罩的测试

在天线罩的实际制作过程中，会受到如介质材料切割压制的尺寸精度、介电常数均匀程度等材料本身以及材料加工工艺等诸多因素的影响而带来误差。本文对设计加工的天线罩样品进行了实物测试。

4.1 测试项目

天线罩的主要电气性能表现为天线罩的透波性能及天线罩对天线驻波性能的影响两个方面。天线罩的透波性能反映了功率传输性能，即天线罩对天线辐射能量的单程损耗，而其对天线驻波的影响反映了天线罩的功率反射性能，即加装天线罩后反射波能量的大小变化。鉴于此，对天线罩的功率传输性能及反射性能进行了测试，并给出了测试结果。

4.2 测试方法

1)功率传输性能的测量。天线罩功率传输性能的测量，目的在于鉴定天线罩对微波能量的透射特性，可用传输系数来表征。它反映了天线罩对天线辐射的单程损耗，该损耗由材料热耗，层间反射损耗和相位失配损耗3 部分组成。天线罩透波率可通过测量天线罩的插入损耗值来计算得到，其测量装置的框图如图10 所示。

图10 天线罩功率传输性能测试框图

天线罩传输系数的具体测试步骤如下［1］:

测量时，待测天线固定，用于接收。先不加天线罩，收发天线瞄准，保持信号源输出稳定，测量天线的接收功率作为参考电平U0;

装上天线罩，在所要求的扫描角范围内转动天线罩，并自动微调源天线位置，使波束轴线瞄准待测天线，记录接收电平U1;

采用比较法，利用测量所得到的功率接收电平及参考电平可计算得到天线罩的插入损耗值:S=U0-U1。

天线罩的传输系数T 可通过换算式(1)计算得到:

2)功率反射性能的测量。天线罩的功率反射性能可通过比较待测天线加装天线罩前后天线输入驻波比的变化来体现，测试框图见图11。

图11 天线罩功率反射性能测试框图

具体测试步骤如下:按所需的频段和采样间隔进行测量端口校准;接入天线，先不加天线罩，按与校准时相同的频段和采用间隔进行测量;记录所需频率的电压驻波比V0;装上天线罩，记录对应频率的电压驻波比V1。

4.3 实测结果及结论

天线罩电气测试结果见表1。

表1 天线罩测试结果

从测试结果可以看出，在X 波段该天线罩的插入损耗S≤0.39 dB，相应的透波率为T≥91.4% ;L 波段天线罩的插入损耗S≤0.25 dB，相应的透波率T≥94.4%。另外，由表1可看出，加装天线罩前后天线的电压驻波比变化很小，说明该天线罩对天线的驻波性能影响很小。

对比仿真计算与实测结果，天线罩插入损耗的计算值与实测值略有差别，主要是由于天线罩制作过程中材料本身以及材料加工工艺等限制因素而引入的误差，另外还有天线罩测试过程中仪器精度和测试精度等方面的影响。但是从测试结果来看，误差远在可以接受的范围。通过实测及结果分析，该天线罩的电气性能良好，完全可以满足部队的使用需求。