阵列天线波束对透波罩功率传输系数的影响分析

岳 松，李 翔，戚向波，王传兵，周永鑫，潘 蕊

(北京航天长征飞行器研究所,北京 100076)

0 引言

透波罩是精确制导飞行器的一个重要部件，位于飞行器的最前端。一方面，透波罩维持飞行器的气动外形，承载着最严酷的力热环境，满足承载和隔热的需求；另一方面，透波罩是雷达导引头电磁波进出的窗口[1,2]。因此，透波罩在承载和隔热使用需求的前提下，透波设计更为重要。

导引头是精确制导飞行器的眼睛，透波罩就是导引头的护目镜。导引头的功率和增益决定了导引头的探测距离，但电磁波透过透波罩后都会产生反射和衰减，因此透波罩的功率传输系数对探测距离有着直接且显著的影响。因此，提高透波罩的功率传输系数，对于提高导引头的距离和作战效能具有重要的意义[3,4]。

常用的导引头有机械扫描和相控阵两种形式。目前，机械扫描导引头在末制导飞行器中获得广泛应用，由导引头天线、机械伺服机构和发射机等元器件组成，天线口面通过伺服机构的转动获取不同的朝向，实现对不同目标的追踪。机械扫描导引头波束始终与天线口面垂直，波束增益、3dB波束宽度等主要指标不随天线扫描角变化，便于透波罩的设计。随着相控阵技术的发展，相控阵导引头逐渐被采用。相控阵导引头具有功率密度大、电扫描快速跟踪、多目标信息提取、空时自适应信号处理、自适应抗干扰、体积小和可靠性高等多种技术优势，是精确制导雷达导引头的发展方向[5,6]。平面相控阵导引头天线口面与透波罩的相对位置不变，通过波控器调整波束指向，波束增益、3dB波束宽度等主要指标随扫描角会有所变化，从而给透波罩透波设计带来了新的问题。

功率传输系数是透波罩损耗引起的主瓣峰值电平的变化，通常采用有罩和无罩时天线增益最大值之差来表示。天线介质平板结构简单，易于进行透波率计算和仿真，透波罩通常为曲面结构，对于曲率较小的结构，平板结构与透波罩透波性能较为接近，可以采用平板结构对透波罩进行等效分析。文章采用介质平板作为研究对象，分别针对机械扫描天线(以下简称机扫天线、MSA)和平面相控阵天线(以下简称相扫天线、PAA)开展透过介质平板的远场方向图仿真，获取机扫、相扫天线下介质平板的功率传输系数，分析天线扫描角、波束入射角对功率传输系数的影响，并给出了提高采用相扫天线的透波罩功率传输系数的优化方法。

1 机扫天线和相扫天线波束宽度对比

由于透波罩功率传输系数采用的有罩、无罩时天线的增益差，因此功率的绝对值对功率传输系数没有影响，而波束宽度是影响功率传输系数的主要参数。机扫天线波束始终与天线口面垂直,各扫描角波束宽度一致，波束关于中心轴线具有良好的对称性；相控阵导引头主要采用平面阵列，通过波控器调整波束指向，除0°扫描角外，各扫描角波束与天线口面均有一定的夹角。某机扫、相扫天线不同扫描角对应的3dB波束宽度如图1所示。

图1 机扫、相扫天线波束宽度随扫描角变化图

从图1可以看出，小角度下相扫天线3dB波束宽度与机扫天线一致，随着扫描角的增大，波束宽度迅速展宽。因此，采用机扫天线与相扫天线得出的透波罩功率传输系数也有所不同。

2 理论计算与仿真分析

2.1 平板结构设计与仿真建模

将介质平板代替透波罩作为分析对象，采用ku波段中心频点15GHz作为计算中心频率f0，开展介质平板最优厚度的理论计算与功率传输系数的仿真分析。介质平板采用石英陶瓷类材料，相对介电常数为3.1，损耗忽略不计。介质平板采取整阶数的半波壁厚，单层平板最佳厚度由公式(1)给出。

(1)

其中，m为阶数，λ为波长，εr为相对介电常数，θ为入射角。

当m=3时，由公式(1)可得到不同入射角对应的平板厚度。由于大入射角时介质平板的功率传输系数对厚度变化较为敏感，因此选取50°入射角进行设计，并选取0°入射角进行对比。0°、50°入射角对应的最佳厚度分别为17mm和18.9mm。

采用不同3dB波束宽度的天线近场数据，用于介质平板功率传输系数仿真。采用CST仿真软件，建立了如图2所示的仿真模型。仿真模型由天线和介质平板组成，其中天线采用近场数据等效代替，介质平板厚度由公式(1)给出。同时，通过旋转天线的方式改变天线和介质平板的夹角，获取不同的天线扫描角和入射角。

2.2 小入射角仿真分析

首先采取机扫天线对0°入射角17mm厚介质平板进行仿真。各3dB波束宽度下f0-200MHz(f0-)、f0、f0+200MHz(f0+)三个频点介质平板功率传输系数如表1所示。

从表1可以看出，该状态下平板功率传输系数较大，部分超过了100%，这是由于天线透波平板后波束会出现一些变化，导致主瓣宽度会变窄或者变宽，主瓣增益增大或减小，对于主瓣增益增大的情况，功率传输系数会大于100%。但对于总能量而言，天线总的辐射能量不会增大。

采用相扫天线50°扫描角波束对0°入射角的介质平板进行功率传输系数的仿真。仿真模型如图3右图所示，即波束与介质平板垂直而与天线口面有50°夹角，功率传输系数仿真结果如表2所示。

对比表1、表2可以看出，机扫、相扫两种方式，小入射角状态下，功率传输系数受3dB波束宽度影响不大。

表2 相扫天线小入射角介质平板功率传输系数(%)

2.3 大入射角仿真分析

采取机扫天线对50°入射角18.9mm厚介质平板进行仿真。各3dB波束宽度下f0-200MHz(f0-)、f0、f0+200MHz(f0+)三个频点介质平板功率传输系数如表3所示。

从表3可以看出，采用机扫天线大入射角的介质平板在各波束宽度下均获得良好的功率传输系数，3dB波束宽度对功率传输系数无显著影响。与表1相比，采用机扫天线的介质平板入射角对功率传输系数的影响不大。

表3 机扫天线大入射角介质平板功率传输系数(%)

针对相扫天线对50°入射角18.9mm厚介质平板进行仿真，仿真模型如图3的左图所示，即天线与介质平板平行，仿真结果见表4。

表4 相扫天线介质平板大入射角功率传输系数(%)

从表4中可以看出，随着3dB波束宽度的增大，采用相扫天线的介质平板功率传输系数逐渐降低。对比表3与表4，同为50°入射角，相同3db波束宽度下，相扫天线得到的功率传输系数明显小于机扫天线，波束宽度越大，差异越明显。因此，相扫天线大扫描角、大入射角时，波束宽度对功率传输系数有显著影响，功率传输系数随3db波束宽度的增大而降低。

2.4 相扫天线不同入射角仿真分析

为了进一步验证扫描角、入射角对功率传输系数的影响，采用相同波束宽度的相扫天线(约10°)，针对各入射角对应的最佳厚度，开展相扫天线不同入射角功率传输系数的仿真，结果如表5所示。

表5 相扫天线介质平板不同入射角功率传输系数(%)

从表5可以看出，相同波束宽度下，小入射角状态下，相扫天线介质平板功率传输系数随入射角变化不大，随着入射角的增大,相扫天线介质平板功率传输系数逐渐降低。此外，根据f0-、f0、f0+三个频点的仿真结果，大入射角下中心频点的功率传输系数较优，说明尽管此时功率传输系数降低，但厚度始终处于较为匹配的状态。

2.5 相扫天线不同厚度仿真分析

由于相扫天线大扫描角、大入射角的工作状态不可避免，尝试采用改变厚度的方式提高功率传输系数。采用同一相控阵波束在50°入射角下对不同厚度介质平板进行仿真，仿真结果如表6所示。

表6 相扫天线不同厚度介质平板功率传输系数(%)

从表6可以看出，相控阵波束在50°入射角下，介质平板加厚或减薄均无法提高平板的功率传输系数，进一步验证了半波壁厚设计方法同样适用于相扫天线大入射角大扫描角工作状态。

综上所述，在一定3dB波束宽度范围内，机扫天线平板功率传输系数与波束宽度无关；相扫天线小入射角、小扫描角时平板功率传输系数与波束宽度关系不大，在大入射角、大扫描角下，功率传输系数随着波束宽度和入射角的增大而迅速降低，且无法通过优化厚度改善。

3 天线方向图对比分析

介质平板的功率传输系数是通过比较天线加介质平板(有罩)方向图和单天线(无罩)方向图的增益得到的，从有罩、无罩的天线方向图中也可以分析出大入射角大扫描角下相扫天线介质平板功率传输系数下降的原因。选取50°入射角的机扫、相扫两种状态，比较有罩、无罩两种状态的天线方向图，如图3所示。

图3 天线方向图对比

从图3中可以看出，机扫天线有罩、无罩两种状态下天线方向图基本无畸变，方向图对称性良好，主瓣宽度和副瓣电平均无明显变化；相扫天线无罩状态下天线方向图左右存在明显不对称，有罩状态下主瓣宽度明显变窄，副瓣显著提高，对导引头成像精度均会造成不利的影响。

4 透波罩设计建议

从第2、3节的分析可知，相扫天线在大入射角下功率传输系数下降，方向图畸变严重，无法通过优化厚度改善，这些不利因素均会影响导引头的性能。因此，需要开展天线-透波罩的协调优化设计。一是采用相控阵天线的透波罩在设计时应重点考虑重要的透波区域，相控阵天线采用一定的预置角，使重点透波区域处于天线的小扫描角，如图4(a)所示。二是采用球面相控阵天线，使相控阵天线获得与机扫天线一样的波束性能，各个扫描角波束均保持良好的波束宽度和对称性，如图4(b)所示。两种方案均需要进行天线-透波罩协同优化，使得天线在满足热环境使用要求的前提下，获取足够的舱内空间。

(a) (b)

5 结论

本文针对采用相扫天线的透波罩在大扫描角、大入射角时功率传输系数下降的问题，开展了理论计算与仿真分析。结果表明：天线在一定波束宽度下，机扫天线平板功率传输系数与波束宽度无关，相扫天线平板在小入射角下功率传输系数与波束宽度关系不大，在大入射角下，功率传输系数随着入射角和波束宽度的增大而迅速降低，且无法通过优化厚度改善。采用一定的预置角的平面相控阵天线以及球面相控阵天线，通过天线-透波罩的协调优化设计可以解决这一问题。