面向多波段合成孔径雷达天线的大型超宽带拼装式天线罩设计方法

杨飞龙,朱金彪,刘玉泉,汤洪彪,潘 洁

(1. 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094; 2. 西北工业大学 电子信息学院, 陕西 西安 710072)

0 引 言

天线罩是保护天线系统的重要装置,能够使天线免受外界恶劣环境、复杂天气、空气阻力和其他负荷的影响,延长了天线的使用寿命。与之同时,天线罩的设计更需要满足相应的电磁透波性能,使天线更稳定可靠地工作。一方面在设计过程中,天线罩的透波带宽范围是非常重要的指标参数。频率选择表面天线罩[1-3]和超宽带天线罩[4-6]则是针对不同罩内天线的工作频率与天线罩透波带宽进行平衡设计的典型实例。另一方面,波束入射角度兼容范围和极化敏感特性也是天线罩设计工作中必须考虑的问题,波束大角度入射时会对高频透波性能有不可忽略的影响[7-8],而天线罩的极化方式也会对天线方向图产生重大影响[9]。所以,实现大角度兼容且极化不敏感的超宽频带天线罩设计是一项极具挑战的设计工作。

多波段合成孔径雷达天线广泛应用于海洋观测、环境监测、灾害监测、农业评估、资源勘察、地质测绘等领域[10-11],通常由多个不同用途的天线组成,工作频率各不相同,覆盖的频带范围很宽。为了实现超宽带透波,极化和大入射角度就往往难以兼顾,在设计时只能针对单一角度和单一极化方式进行测试。而且,面对大角度扫描阵列与不同极化波辐射时,传统的天线罩设计更倾向于针对特定的频段组合[12-14],或仅针对几个低频段范围实现透波[15]。

本文针对特定布局的P波段到Ka波段的多波段合成孔径雷达天线的复杂构型,提出了一种大型超宽带拼装式天线罩的设计方法,能够满足多个不同频段天线大倾角内入射的宽频段高效透波。并且,对根据该方法制造的天线罩的透射系数进行了测试,结果表明天线罩能够在超宽频带内高效透波,满足实际要求,实现了该布局下的多波段合成孔径雷达天线的大型超宽带拼装式天线罩设计。

1 多波段合成孔径雷达天线系统及天线罩架构设计

MA60型飞机机腹的遥感任务系统包括特定布局的多波段合成孔径雷达天线,天线布局如图1所示。天线1、天线2的工作频率为P波段到X波段的0.3 GHz～10 GHz;天线3的工作频率为K波段到Ka波段的19 GHz～21 GHz、30 GHz;天线4的工作频率为Ku波段的16.3 GHz～17.1 GHz;天线5的工作频率为Ka波段的32 GHz～38 GHz。该布局满足电磁兼容要求,各个天线之间的隔离度大于45 dB,且天线的方向图基本上不产生畸变,电性能不会下降。

图1 多波段合成孔径雷达天线布局

观察各天线的工作频率和分布位置可知,天线1和天线2的工作频段较低且相同,天线3、天线4和天线5的工作频段较高且覆盖三个连续的频段,天线3和天线4的分布位置又很相近。因此,根据天线系统的排布设计如图2所示的拼装式天线罩。

图2 超宽带拼装式天线罩结构

其中,天线罩透波区域分为低频透波区和高频透波区。低频透波区覆盖天线1和天线2两个低频段天线的位置;高频透波区包含两个分布式补丁,其中平直段补丁的位置对应天线3和天线4,具有一定曲率的圆角段补丁的位置对应天线5。根据天线相对天线罩的位置关系决定的电磁波入射角度、天线罩的曲率、天线特定的工作频率范围和极化方式,选用出满足低频段天线最高效率透波的不同介电常数组合的多层天线罩结构作为低频透波区,包括P波段、L波段、S波段、C波段和X波段。在考虑曲率及入射角度的基础上采用与低频透波区不同介电常数的多层介质材料组合作为高频透波区,包括Ku波段、K波段和Ka波段,使三个高频段天线具有良好的透射效率,能够最大限度地满足天线罩针对高频段天线的电性能要求。

2 超宽带拼装式天线罩电性能数值模拟

由于厚的单层壁结构的带宽仅有百分之几,无法满足天线罩电性能要求,需要采用多层壁结构来拓展带宽,常用的多层壁结构有A型夹层、B型夹层和C型夹层。无论哪种形式,其本质都是针对某一频段选择和布置每层材料的介电常数、磁导率和厚度,使组合后的多层结构具有良好的匹配性能[16-17]。

将天线罩看作周期性结构,而Floquet模式可以很好地模拟周期性结构,避免复杂而重复性的仿真计算,优化仿真计算方法,因此只对单元选用Floquet模式进行仿真计算。Floquet模式是一种空间谐波模式,平面波入射后产生的散射波表示为无限个离散的模式之和,这类平面波的传播方向由周期性结构的频率和几何形状共同决定,在电磁场波动方程满足周期性边界条件时,利用数学上分离变量法得到电磁场的解[18]。

对于低频透波区,选用由两层比较致密且薄的表面层和较厚的低介电常数的多孔中间芯层组成的A型夹层结构作为低频透波区,其中表面层材料为玻璃纤维HTM110,介电常数为2.98,损耗角正切为0.005,厚度为0.5 mm,中间芯层为蜂窝状结构,等效介电常数为1.068,损耗角正切为0.004,厚度为6 mm。低频透波区单元结构如图3a)所示,设置Floquet激励端口,水平极化时单元左右为电壁,上下为磁壁;垂直极化时单元左右为磁壁,上下为电壁。

图3 低频透波区的单元结构和透射系数

对低频透波区在X波段及以下频率用不同极化和入射角的平面波进行激励得到如图3b)和图3c)所示的透射系数曲线,可以观察到在0°～45°入射角范围内,低频透波区在P波段到X波段的透射系数在水平极化时始终在0.97以上,而当入射角大于45°时,水平极化波的透射系数才有较大的减小,但仍然在0.94以上,垂直极化时始终在0.99以上,因此该天线罩的低频透波区可以实现多个低频段天线的高效透波,满足正常工作要求。

由于低频透波区的夹层材料无法实现高频时的良好透波,需要针对高频段天线设计另外的多层材料结构。经过仿真筛选,选择多层材料的层压结构,材料为玻璃纤维HTM110,介电常数为2.98,损耗角正切为0.005,每层厚度为0.25 mm,共六层。高频透波区单元结构如图4a)所示,设置Floquet激励端口,水平极化时单元左右为电壁,上下为磁壁;垂直极化时单元左右为磁壁,上下为电壁。

图4 高频透波区的单元结构和透射系数

对高频透波区在Ka波段及以下频率用不同极化和入射角的平面波进行激励得到如图4b)和图4c)所示的透射系数曲线,可以发现在X波段到Ka波段水平极化波的透射系数随入射角增大而减小,在入射角较小时能保持在0.8以上,垂直极化波的透射系数随入射角增大而增大,在入射角较大时也能高于0.85,所以该天线罩的高频透波区也基本能满足多个高频段天线正常工作的透波要求。

另外,加装高频透波区的两个分布式补丁需要在其周围安装金属钉,为评估金属钉的存在对高频透波的影响,需要对安装金属钉的高频透波区进行仿真。整体模型结构如图5a)所示,分布式补丁宽约500 mm,周围金属钉半径为3 mm,间距50 mm,由于该补丁横向结构具有周期性,可以截取部分结构作为单元进行仿真。设置垂直天线罩方向的平面波激励,此时两种极化波的效果相同,并和无金属钉的情况作对比,绘制如图5b)和图5c)所示的不同频段有无金属钉时高频透波区的透射系数。仿真结果表明无金属钉时高频透波区在L波段和X波段的透射系数分别在0.99和0.93以上,而加金属钉后的透射系数只是略微减小,差异并不明显,说明高频透波区能满足电磁波的高效透射,且金属钉几乎对电磁波传输没有影响。

图5 高频透波区及金属钉的仿真模型和透射系数

3 天线罩性能测试

根据既定方法和材料制造实际的天线罩,并在远场条件下展开测试,实际天线罩与测试环境如图6所示。用原定布局的多维度天线作为发射天线进行激励,在相应的工作状态下针对天线罩透波区域进行测试,并利用矢量网络分析仪读取发射天线与接收天线之间在加载天线罩前后的传输系数,计算得到天线罩的透波率。天线的工作状态及天线罩透波率测试结果如表1所示,结果表明加载天线罩后多波段合成孔径雷达天线在各自的工作频段和极化方式下都能实现透波率大于85%的高效透波,满足正常工作要求。

表1 天线的工作状态和天线罩透波率测试结果

图6 天线罩实物与微波暗室测试环境

4 结束语

本文针对多波段合成孔径雷达天线的复杂构型提出了一种大型超宽带拼装式天线罩。通过对不同频段设计多层材料的组合结构作为相应的透波区域,能够实现罩内P波段到Ka波段的多个天线的宽频率大角度的高效透波。测试结果表明：该天线罩能够满足原定布局的多维度天线在多个频点的不同俯仰角及极化状态下的透波要求,实现了该布局下的多波段合成孔径雷达天线的大型超宽带拼装式天线罩设计,对同类机载雷达罩的设计和工程实现,有着现实参考意义。