基于变厚度设计的引信天线罩优化方法

黄 岩，刘忙龙，黎 雄，纪 涛

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

天线罩是保护无线电引信在自然环境下能够正常工作的必要结构，常见的引信天线罩是由天然或人造电介质材料构成的圆锥状物体，例如聚四氟乙烯单介质引信天线罩[1]。当电磁波穿过天线罩壁时，不同的入射角，不可避免地就会引起天线的辐射方向图畸变。在毫米波段，由于波长短，这种畸变更加明显。最为严重的是在引信天线探测的有效角度内往往会出现较为明显的主瓣方向图凹陷，这种凹陷的实质是电磁波透射天线罩时对不同入射点的传输效率不同[2-3]。为了抗热烧蚀，天线罩就要加厚，而天线罩的加厚将会更大程度上影响天线的辐射性能和接收性能，从而使得引信的探测性能下降，因此研究其对引信天线电磁波辐射性能的影响就显得尤为重要。

文献[4]针对飞机电扫描天线，提出了采用多层材料夹层结构形式的天线罩，可以调节点扫描天线主极化方向的功率透过系数；文献[5]针对宽频带内的波束特征，仿真分析确定了单层空心石英纤维增强氮化物陶瓷基复合材料的最佳尺寸厚度，但此种方式成本高，且材料本身无法适应弹载高速飞行时的环境；文献[6]采用引信天线罩涂层技术，在防静电和表面电阻的测试方法方面做了研究，对较低频率平板单点入射的透射情况做出了改善。上述的几种改进方式，有的是在天线源可调的情况下改进介质材料，有的对天线罩表面进行改进，但是针对平板或者多层介质的情况，且在毫米波段效果较差。因此，本文针对引信天线外覆盖的单介质天线罩，在电磁波透过时出现方向图畸变的问题，提出通过变厚度形式的引信天线罩优化方法。

1 引信天线罩电性能影响因素分析

1.1 引信天线罩的电性能评价参数

引信天线罩作为天线罩的一种特殊形式，其较为关键的电性能评价参数主要包括以下几点：

1) 功率传输系数(传输效率)：有时也被称作透波率，是特定的某一频点入射波的情况下，加天线罩材料接收到的最大功率P1与没有天线罩材料时天线接收的最大功率P0之比。也即加天线罩后引起的主瓣峰值变化。

2) 插入相位移(IPD)：是指天线罩对平面波不仅产生损耗，还产生相位延迟。插入相位移与天线罩的结构、材料介电常数、平面波的入射角、极化、频率有关。

3) 波束宽度变化：是指加天线罩与不加天线罩时的-3 dB主瓣宽度的变化。

1.2 电磁透射单层介质的因素分析

引信天线罩实质上就是一种有特殊要求的天线罩，考虑到成本和加工因素，引信天线罩一般采用单层均匀介质。作为一种天线罩，其性能可以用单层介质平板的传输和反射原理来进行分析，如图1所示。

图1 天线罩平板近似示意图Fig.1 Radome slab approximate sketch map

电磁波在平板上的反射情况如图2所示。电磁波从空气进入天线罩材料就是在不同介质间传输，空气的介电常数为ε1，磁导率为μ1；天线罩材料的介电常数为ε2，磁导率为μ2。

图2 平面波在平板上的反射情况Fig.2 The reflection characteristics of palne-wave on slab

电磁波入射到单层介质表面，水平极化波和垂直极化波的传输系数为：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中，ε1=ε0=8.85×10-12F/m。天线罩材料为聚四氟乙烯(Teflon)，其相对介电常数为εr=2.1(ε2=εrε0)。

从上面的两种情况可以看出：不论天线发射的电磁波极化方式如何，θi在-90°～0°范围内，cosθi逐渐增大，且大于0；sinθi逐渐增大，且小于0。θi在0°～90°的范围内，cosθi逐渐减小，且大于0；sinθi逐渐减小，且大于0。两种极化方式的入射波传输系数是角度的函数。很明显，当入射角为0°时，TH约为82%，TV约为82%。当入射角为-90°时，RH=RV=-1,也即传输系数为1。由于波导天线的有效波束宽度在E面、H面均在-55°～55°的范围之间，天线的中心垂直投影是在天线罩侧壁上。有效波束宽度内，电磁波没有垂直入射的情况。天线罩顶部是均匀的单层平板结构，电磁波入射点从内顶点A到内顶点B的范围内都属于斜入射，入射角度在逐渐增大。从B点到D点的入射角在逐渐减小(D点是垂直入射点)，从A点到C点入射角也是逐渐减小。

天线罩的插入相位移(IPD=φi-2πdcosθ/λ，φi=kdi表示传输相位，d表示介质厚度)对于波的传输的影响，不同的入射点对应了不同的透射距离，就会产生相位差。

2 基于变厚度形式的引信天线罩优化方法

2.1 单介质引信天线罩的变厚度参考模型

K波段引信天线罩设计首先需要确定天线辐射源的形式及相对引信天线罩的位置关系。本文所采用引信与天线的位置关系如图3所示，发射天线与接收位于天线轴两侧。

图3 参考模型Fig.3 The reference model

研究发射天线在加载天线罩后的电磁辐射特性，就能够对天线罩影响做出分析。本文仿真使用是K波段具有微带-波导转换结构的双面阶梯波导口天线[7]，发射天线波束宽度H面方向图(φ=0°)为108.44°，E面方向图(φ=90°)为62.82°。天线位置的偏向放置必然导致辐射方向图的不均匀性，其不均匀性还与天线的极化方式有关。波导口天线的方向性较强，天线罩结构的不对称性会引起电磁波透射结果的不对称性。根据要求，本文设计并加工了常规的参考模型，如图4所示，参考模型的尺寸如表1所示。

图4 参考模型的加工实物图Fig.4 The real product of reference model

表1 参考模型尺寸Tab.1 Size of the reference model

通过使用三维电磁仿真软件HFSS对其建模仿真，我们得到加载参考天线罩的电磁辐射情况可以用图5的平面方向图和三维辐射图来表示，这样我们得到了各个角度点的传输损耗。图5是加载参考模型的天线方向图，关键角度点的增益如表2所示。

图5 加载参考模型的天线方向图Fig.5 Antenna pattern with the reference model

表2 加载参考模型的辐射角度方向图增益Tab.2 Radiation angle pattern gain with the reference model

矩形波导口天线，与加载参考模型后的电磁辐射方向图相比，有效波束宽度内的天线方向图发生恶化。尤其当θ为-50°左右、17°左右时，波束角度点增益变为-7.7 dB，相比于最大辐射增益直接衰减了14 dB。因此对于波导口天线来说加载天线罩后，在低于0 dB的辐射范围内，入射角11°～22°内发射功率直接衰减。在实际测试过程中，由于各种损耗增加，衰减范围会进一步增大。

图6是有无加载天线罩的E面(φ=90°)方向图，图7是有无加载天线罩的H面(φ=0°)方向图。图8是参考模型的实测图。从图中可以看出，参考模型在天线垂直极化的情况下，方向图凹陷特别严重，反射系数最高的点，增益降低接近9 dB。水平极化方向图凹陷较为严重，透射率最低的点增益相对降低约为2 dB。与参考模型的实测图对比可以看出，方向图的凹陷基本与仿真情况相似，实测过程采用的不是极化匹配的测量天线，测量有一定的误差。

图6 有无参考模型条件下的天线E面方向图Fig.6 Antenna E-plane pattern with and without thereference model

图7 有无参考模型条件下的天线H面方向图Fig.7 Antenna H-plane pattern with and without the reference model

图8 加载参考模型实测天线方向图Fig.8 The measured pattern with the reference model

2.2 基于参考模型的变厚度优化方法

天线罩材料和侧壁厚度及顶部厚度确定后，参考模型的仿真和测试结果均表明：单层介质天线罩对天线方向图的影响很大，且与入射角密切相关。由于引信天线的天线罩是一种比较基本的单层介质，且成本和加工难度是必须考虑的问题，所以不能像雷达罩一样在材料的填充和涂层上进行修改。对天线罩内部优化的主要目的是在于提高天线方向图的平滑性，减小方向图凹陷。电磁波在入射到天线罩壁上的入射角随着天线罩位置点的变化而变化，采用常用的等厚度设计不能满足所有入射点的最佳传输。垂直极化分量的传输效率对厚度十分敏感，需要根据入射角的不同采取相应的措施，改变天线罩内部厚度。

由于天线罩内壁电磁波入射角的范围分布呈现一定的规律，如图9所示。天线中心在天线罩壁的投影位于AC边上。很明显从天线罩的截面图可以看出天线左侧的入射角明显较大。采用变厚度设计的目标函数是对功率反射系数和IPD的综合优化，在指定的极化和入射角范围内得到最小的反射系数，并且尽量缩小相位移的差距。对于参考模型，要解决方向图顶部的凹陷问题，必须避免在一定角度范围内没有探测信号的问题。

图9 天线罩内部电磁波入射点Fig.9 The incidence point of electromagnetic wave in the radome

引信天线罩是沿轴Z方向的一个圆台结构。天线罩上部入射角较大，根据参考模型的仿真结果对天线罩进行变厚度设计，缩小入射波的入射角。在有效范围内(-55°～55°)，入射角θ的绝对值|θ|越大，介质厚度相对越大，相位移越小。发射天线的偏轴心放置，考虑天线罩加工过程中的难度，天线罩的变厚度设计基于对称结构。天线辐射角为0°时，天线罩头部区域的入射角较小，中后部入射角较大，为了均衡天线罩引起的相位变化，头部采用过渡区线性渐变的结构设计。使用HFSS对其结构进行仿真，经过多次的仿真验证，在内部相对高度ΔH从40.3 mm到25.3 mm做渐变设计时，天线的E面和H面辐射性能更好，天线罩的传输系数没有极端低值。

3 仿真及验证

为了验证上述优化方法的可行性，本文利用全波电磁仿真软件(HFSS)，对顶部一次变厚度设计优化的天线罩模型进行了仿真分析。仿真分析K波段波导口径天线加装顶部变厚度设计的天线罩模型，模型结果如图10所示，得到的方向图如11所示。

图10 顶部变厚度设计的HFSS模型Fig.10 HFSS model of variable design on top

图11 顶部变厚度设计的仿真结果Fig.11 The simulation result of variable design on top

通过仿真可以得出：天线罩上部的变厚度设计使得天线方向图中E面和H面方向图在-45°～70°的增益均大于0；有效波束宽度内的方向图最低传输系数接近60%；方向图的凹陷增多，方向图最大增益为8.13 dB，0°～55°范围内，H面方向图最低凹陷处增益为4.12 dB，E面方向图最低凹陷为3.82 dB。由于天线E面位于Y轴上，因此方向图对称分布。由此可见，提高不同入射点的整体增益有助于降低整体反射系数，反射造成了天线最高辐射点增益的提高。

进一步采用渐变的厚度设计，均衡天线罩内壁的入射角度和天线罩的厚度。单层介质的天线罩不能采用减小天线罩的初始厚度来降低天线罩对天线方向图的恶化程度，且考虑到成本问题，材料堆积和涂层技术不纳入考虑范围。采用更多的内壁渐变设计，减小下部电磁波入射角。其过渡带位置是在高度20.3～25.3 mm和40.3～50.3 mm。为了平衡下部的入射角度，且要便于加工，按照波的传输性分析，中部的被动渐变设计使得一次反射波更加集中在头部的过渡带，相当于一个二次优化过程。

按照设计方式建立仿真模型，图12是天线罩变厚度设计的三维结构模型图。

图12 二次变厚度设计的模型立体图Fig.12 The model space graph of second variable design

通过三维电磁仿真软件HFSS的仿真分析，得到的天线仿真结果如图13所示。

图13 二次变厚度设计的天线方向图Fig.13 The pattern of the second variable design

对比参考模型的方向图凹陷和变厚度设计后的天线罩方向图，图14是有无天线罩、参考模型和二次变厚度设计天线罩对天线方向图的影响对比结果。

图14 优化前后的对比结果Fig.14 The result before and after optimization

从图中可以看出，通过天线罩内壁的变厚度设计，可以显著降低天线罩对天线方向图的影响。波导口天线的H面和E面半功率波束宽度为108.44°、62.82°。加载最终变厚度优化后的天线罩模型，H面方向图出现较低幅度的波动，天线方向图波束没有收窄，半功率波束宽度满足108°的探测范围，E面方向图没有波动较为明显，但相较参考模型，有了较大改善。二次优化后的天线罩模型，天线方向图相比于参考模型有较大变化，最低辐射角度增益为3.17 dB，没有极端低值。天线罩在有效波束宽度内的传输系数由-73%提高到40%。

二次优化后的天线罩模型经过了实验室实测，测试是基于引信的辐射信号处理测试解算的，测试性能较原参考模型有较大改善，未出现极端方向的信号大幅度衰减。后续将进行暗室测试，对该模型的传输效率做出标定。

在强度方面，本文设计的优化后的天线罩是应用于低过载弹药引信头部，参考模型可以满足使用需求。而优化后的引信天线罩总体厚度是基于参考模型的厚度进行的加性设计，优化后的天线罩头部、侧壁厚度均大于同位置的参考模型尺寸。同时，天线罩加工中在应力集中点进行了圆滑加工，头部及侧壁均匀受压，其结构强度可以满足低过载弹药引信的使用要求。

4 结论

本文提出了基于变厚度形式的引信天线罩优化方法，该方法首先设定参考模型，在分析位置固定的引信天线透过天线罩的入射角度后，采用可变厚度的优化方法，调整电磁波的入射角，减小入射相位差，以此来提高电磁波的透射效率，改善天线加载天线罩后的方向图。仿真结果表明：通过天线罩内壁的变厚度设计，可以显著降低天线罩对天线方向图的影响。最终优化后的天线罩仿真结果最低辐射角度增益为3.17 dB，没有负值。天线罩在有效波束宽度内的传输系数由-73%提高到40%。该方法对提升单层电介质引信天线罩透射效率具有低成本，易实现的优点。