李高生,明永晉

(1.中電科航空電子有限公司,四川成都610000;2.南京航空航天大學(xué),江蘇南京210016)

天線罩等效傳輸線理論及應(yīng)用

李高生1,明永晉2

(1.中電科航空電子有限公司,四川成都610000;2.南京航空航天大學(xué),江蘇南京210016)

首先介紹了天線罩常見外形、分類和罩壁形式;其次采用電磁波反射、透射和等效傳輸線理論,建立了分析功率傳輸系數(shù)和計(jì)算插入相位移的方法;最后給出了石英氰酸酯平板寬頻特性測試流程和結(jié)果,理論和測試結(jié)果共同驗(yàn)證了等效傳輸線理論的正確性,平板尺寸0.976 m×0.976 m× 0.001 8 m,測試頻段1.2～18 GHz,測試水平方位角-40°～40°內(nèi),石英氰酸酯平均功率傳輸系數(shù)均大于60%,表現(xiàn)出了良好的寬頻特性;測試結(jié)果為天線罩蒙皮材料的選擇提供了參考數(shù)據(jù)。

等效傳輸線理論 石英氰酸酯 天線罩

0 引 言

天線罩是飛行器的重要部件,用于保護(hù)內(nèi)部天線或其他系統(tǒng)免受雷擊、靜電、雨蝕、高溫和高壓等惡劣環(huán)境的影響,同時(shí)在電磁窗口內(nèi)具有較高的功率傳輸系數(shù)和較小的相位變化。

1 天線罩外形及分類

1.1 天線罩外形

天線罩外形多種多樣,主要有截球形、錐形、正切卵形、正割卵形、馮卡曼形、半球形和冪形等形狀[1-3],從電氣特性角度出發(fā),要求天線罩曲率半徑大,外形光滑,所以理想外形為半球形天線罩[2];從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),要求天線罩具有良好的流線型,比如正切卵形,馮卡曼形等。部分天線罩外形圖如圖1所示。

圖1 常用天線罩外形Fig.1 Common radome shapes

地面雷達(dá)天線罩為固定天線罩,適應(yīng)風(fēng)、霜、雨、雪、冰、沙等惡劣環(huán)境的前提下,獲得良好的透波特性為第一目標(biāo),所以外形一般為截球形。外形為截球形并已在實(shí)際中應(yīng)用的地面雷達(dá)天線罩有10 m直徑泡沫夾層天線罩,18.6 m直徑蜂窩夾層天線罩,28 m準(zhǔn)隨機(jī)分割高性能泡沫夾層天線罩[1-2,4],高性能航管雷達(dá)天線罩,薄壁異形天線罩等。

航空航天天線罩外形的選擇很大程度上依賴于空氣動(dòng)力學(xué)和組成天線罩的材料,因?yàn)橥庑螞Q定了天線罩受到的空氣阻力大小,材料決定了天線罩的耐高溫、雨蝕和動(dòng)態(tài)壓力等特性,所以在航空航天天線罩設(shè)計(jì)中,外形和材料的選擇是十分關(guān)鍵的。電氣性能和空氣動(dòng)力學(xué)是天線罩設(shè)計(jì)中需要同時(shí)兼顧的兩個(gè)方面,但兩者又是矛盾的,比如銳度比小于2.25時(shí),正切卵形天線罩空氣動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)于正割卵形,但后者產(chǎn)生的瞄準(zhǔn)誤差更小[5]。所以,在天線罩設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮電氣和力學(xué)性能。

1.2 天線罩的分類及罩壁形式

按照使用場合的不同,根據(jù)美國軍標(biāo)將天線罩分為三級:1級為航空航天天線罩,2級為艦載天線罩,3級為固定天線罩[2]。

按結(jié)構(gòu)形式分類,天線罩可以分為空間桁架式和薄殼式[1]?？臻g桁架式結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于大型的地面或艦載天線罩,采用自行支撐式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),整個(gè)結(jié)構(gòu)為由堅(jiān)固的剛性骨架蒙上能透過電磁波的薄膜或其它多層蒙皮組成的自承結(jié)構(gòu);支撐骨架采用金屬或介質(zhì)材料,工作波長低于L波段的常用介質(zhì)材料,高于L波段的常用金屬材料[2]。薄殼式天線罩采用均勻和近似于各項(xiàng)同性的電介質(zhì)材料制成一個(gè)平滑、被截割的球體或其它形狀;薄殼式天線罩分為剛性和充氣式兩種,充氣式尺寸較大,剛性式尺寸較小,如預(yù)警飛機(jī)旋罩、機(jī)頭罩和導(dǎo)彈罩等[1-2]。

按罩壁形式分類,天線罩可分為單層、A夾層、B夾層、C夾層、多層和加載金屬絲等結(jié)構(gòu)[6-7],見圖2。

圖2 天線罩基本罩壁形式Fig.2 Fundamental radome structures

單層天線罩又可以分為薄壁、半波長結(jié)構(gòu)和變厚度單層半波長結(jié)構(gòu)。薄壁結(jié)構(gòu)的電氣厚度一般小于λ/20;半波長結(jié)構(gòu)是指單層壁厚等于介質(zhì)波長的一半,在中心頻點(diǎn)功率傳輸趨于100%;變厚度單層半波長結(jié)構(gòu)是為了保證在一定入射角范圍內(nèi)有較大的功率傳輸系數(shù)和均勻插入相位移采取的有效措施。單層結(jié)構(gòu)天線罩適用于窄頻天線罩。

A夾層天線罩由兩層高密度蒙皮和低密度的中間芯層組成;蒙皮一般是玻璃纖維增強(qiáng)塑料和高頻陶瓷等,中間芯層為泡沫或蜂窩狀結(jié)構(gòu)。A夾層結(jié)構(gòu)多用于尺寸較小飛行器的流線型天線罩,也常與介質(zhì)桁架做成高質(zhì)量的地面雷達(dá)天線罩。

B夾層天線罩由兩個(gè)具有適當(dāng)介電常數(shù)和適當(dāng)厚度的外蒙皮及一個(gè)匹配的高介電常數(shù)中間芯層組成。B夾層可以做成雙波段的天線罩。

C夾層天線罩具有五層結(jié)構(gòu),由內(nèi)外兩個(gè)蒙皮、一個(gè)中心蒙皮和兩個(gè)中間芯層組成。C夾層透波性能好,工作頻帶寬,但插入相位移隨入射角的變化劇烈。

多層天線罩具有五層或以上結(jié)構(gòu),有奇數(shù)的高密度蒙皮和偶數(shù)的低密度芯層組成,隨著天線罩層數(shù)的增加,天線罩寬頻特性得以改善。多層結(jié)構(gòu)天線罩常做成平板狀,如微波透波墻等。

加載金屬絲天線罩[8-9]原理是在天線罩罩壁介質(zhì)的表面或介質(zhì)中間植入了按一定方式排列的細(xì)金屬絲,使金屬絲的等效電抗匹配兩側(cè)介質(zhì)的等效電抗,從而提高天線罩的功率傳輸特性。有資料表明,美國F-15型戰(zhàn)斗機(jī)的新型號天線罩即采用了金屬絲電抗加載結(jié)構(gòu),天線罩罩壁介質(zhì)中布置了細(xì)鍍銀軟銅線[9]。

2 等效傳輸線理論分析

天線罩的單層或多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用等效傳輸線理論[10-11]進(jìn)行描述。等效傳輸線理論通過簡明的矩陣級聯(lián)形式解釋了電磁波與介質(zhì)相互作用的問題。它基于以下假設(shè):①電磁波在天線近區(qū)內(nèi)為平面波,它從口徑出發(fā)沿直線傳播;②天線罩的曲率半徑遠(yuǎn)大于波長[1]。在上面假設(shè)基礎(chǔ)下,天線發(fā)出的電磁波與罩壁的相互作用可近似為平面波與介質(zhì)平板之間的作用,天線罩罩壁的傳輸特性與反射特性可用等效傳輸線理論描述,即天線罩罩壁局部平面近似,而無需考慮具體的天線罩外形和天線特性。

如圖3所示,一個(gè)沿任意Ki方向入射到介質(zhì)表面的均勻平面波,其電場和磁場均在垂直于Ki的平面內(nèi),但不一定在由Ki和界面法線n組成的入射平面內(nèi)。為了簡化問題,入射波電場矢量可以分解為平行于入射面和垂直于入射面的兩個(gè)分量。電場在入射平面內(nèi)的分量E||稱為水平極化波,電場在入射平面法線方向的分量E⊥稱為垂直極化波。水平極化波和垂直極化波入射到介質(zhì)平面時(shí)反射與透射規(guī)律不同。

圖3 入射電磁波極化方式Fig.3 Incident with polarized electromagnetic wave

如圖4所示,ε0和μ0分別為自由空間的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率;di、εi和μi分別為第i層介質(zhì)的厚度、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率;θ0為電磁波從自由空間到第1層介質(zhì)的入射角。n層介質(zhì)板被等效為n級四端口網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)總級聯(lián)矩陣為T,即:

Zi對水平極化和垂直極化分別有

式(3)、式(4)中,Z0為自由空間特征阻抗。

由此可得n層介質(zhì)板的電壓傳輸和反射系數(shù)分別為

式(5)中變量Z0可以分解為水平和垂直極化情況,即。電壓傳輸系數(shù)還可以表示為T=|T|exp(-jφT),則插入相位移(IPD)為

功率傳輸系數(shù),即透波率可寫為

Tt=|T|2(8)

圖4 多層平板電磁波傳輸示意Fig.4 Illustration of electromagnetic transmission through multiple plates

3 平板天線罩實(shí)測結(jié)果與分析

3.1 測試準(zhǔn)備

石英氰酸酯樣板[12]的測試流程在大型微波暗室中完成,南京航空航天大學(xué)天線與電磁散射實(shí)驗(yàn)室(簡稱南航微波暗室[13])于1986年4月建成,有微波暗室和測量控制室兩部分組成,微波暗室尺寸為24 m×8.5 m×8.5 m,測量控制室尺寸為6 m× 4.5 m×5 m,南航微波暗室曾先后作為Z-8、Z-9和Y-8等天線罩的測試場地。微波暗室測試示意圖如圖5所示,轉(zhuǎn)臺(tái)與接收天線距離為11.5 m,滿足一般測試的遠(yuǎn)場條件(R≥,D為天線的最大尺度),待測設(shè)備EUT(Equipment Under Test)距離地面3.4 m,測試轉(zhuǎn)臺(tái)為三維轉(zhuǎn)臺(tái),可升降、俯仰和水平旋轉(zhuǎn),可本地控制或遠(yuǎn)程控制。微波暗室測試條件滿足本次的測試需求。

圖5 微波暗室測試示意Fig.5 Illustration ofelectromagnetic dark room

平板測試實(shí)驗(yàn)待測設(shè)備EUT即測試平板,測試平板為石英氰酸酯玻璃鋼復(fù)合材料[14-15],表1給出不同頻點(diǎn)下其介電性能測試數(shù)據(jù),測試數(shù)據(jù)為多次測量的平均值,測量方法為諧振腔法;平板結(jié)構(gòu)為單層,尺寸為0.976 m×0.976 m×0.001 8 m,平板厚度的選擇兼顧了后續(xù)成型天線罩的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能。測試平板電學(xué)性能要求在0～40°入射角內(nèi),透波率大于60%。平板測試中發(fā)射與接收天線均為喇叭天線。微波暗室測試平板與支架如圖6所示,其中測試支架為木質(zhì)結(jié)構(gòu),重量輕,與金屬支架比反射小,平板可嵌入其中進(jìn)行測試。

圖6 微波暗室測試平板和支架Fig.6 Testing plate and its mount in the dark room

平板測試中有一些注意事項(xiàng),如下:

1)測試中,天線饋線盡可能縮短,避免高頻信號衰減及干擾問題。

2)盡可能集中喇叭天線主波束方向指向平板中心,避免邊緣電磁波繞射等問題。

3)平板測量是無和有平板兩次測量數(shù)據(jù)的比較,測試中需要裝/取平板和支架,盡可能減少中間操作對測試結(jié)果的影響。

4)多次測量,取平均值作為最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

微波暗室可實(shí)現(xiàn)頻帶和方位角掃描,所以可實(shí)現(xiàn)平板0～40°的轉(zhuǎn)動(dòng)和測量。

表1 石英氰酸酯材料介電性能測試數(shù)據(jù)Table 1 Testdata of Quartz/CE permittivity

測試完畢后,得到的數(shù)據(jù)為功率值(單位: dB),不妨設(shè)裸天線的測試值為PA,天線加平板的測試值為PR,對應(yīng)的透波率為Tt,則有:

由式(9)可得,加平板后測試功率值降低1 dB,透波率約等于0.79(0.8左右);降低2 dB,透波率約等于0.63(0.6左右),降低3 dB,透波率約等于0.501(0.5左右);以此為依據(jù)可在控制室直接查看數(shù)據(jù)的正確性,若出現(xiàn)3 dB以上的情況,應(yīng)迅速查找原因,如電纜連接是否正確,信號源是否正常工作,信號源功率是否穩(wěn)定等,避免重復(fù)性工作的出現(xiàn)。

3.2 測試結(jié)果與分析

圖7和圖8分別給出了頻率為17 GHz和17.5 GHz平板測試值與理論值的比較,其中理論值為等效傳輸線理論計(jì)算結(jié)果;橫軸為水平方位角,左縱軸為式(9)中的透波率,右縱軸(虛線表示)為理論值與實(shí)測值的差值占理論值的百分比。從圖中可以看出,除了個(gè)別點(diǎn)(17 GHz,10°～20°存在兩個(gè)點(diǎn); 17.5 GHz,10°左右,40°～45°各存在一點(diǎn))之外,實(shí)測結(jié)果和理論計(jì)算比較吻合,測試值均在理論值的±5%范圍內(nèi);頻率為17.5 GHz,水平方位角為45°,石英氰酸酯平板透波率仍大于0.55,這說明石英氰酸酯玻璃鋼復(fù)合材料具有良好的寬頻特性,對后續(xù)天線罩材料的選擇和制備起到了有益的指導(dǎo)作用。

圖7 頻率17 GHz測試值與理論值比較Fig.7 Comparison of test and theoretical values at 17 GHz

圖8 頻率17.5 GHz測試值與理論值比較Fig.8 Comparison of test and theoretical values at 17.5 GHz

設(shè)測試平板特定頻率f、極化p(垂直極化v,水平極化h)、俯仰角θ和方位角φ條件下的透波率為T(f,p,θ,φ)。測試平板在θ=0°,φ正負(fù)45°內(nèi)透波率的平均值記為Tave(f,p,θ),則

此處N=91,為總測試采樣點(diǎn)數(shù),即在±45°內(nèi)的掃描角度間隔數(shù),方位角間隔為1°。

圖9給出測試平板整個(gè)頻帶內(nèi)平均透波率Tave(f,v,θ)理論值和測試值變化曲線。從圖中可以看出,高頻情況下,測試數(shù)據(jù)和理論值吻合的較好;低頻情況稍差。這主要是由以下原因造成的:

1)測試平板是有限大的,低頻情況下繞射情況嚴(yán)重。

2)測試使用的喇叭天線和測試平板之間的距離有限,發(fā)射天線入射到平板的電磁波不是均勻平面波。

3)理論值計(jì)算時(shí),采用石英氰酸酯玻璃鋼復(fù)合材料的介電常數(shù)為恒值(溫度為25℃,頻率9.375 GHz下的測試結(jié)果,介電常數(shù)εr=3.3,損耗角正切tanδ=5×10-3),從表1可以看出,石英氰酸酯材料介電性能隨頻率呈減小趨勢,即低頻情況下,理論值計(jì)算時(shí)介電常數(shù)偏小,透波率偏大,和圖9中出現(xiàn)的規(guī)律一致。

圖9 整個(gè)頻帶內(nèi)平均透波率變化曲線Fig.9 Illustration of average power transmission coefficient through the whole frequency band

18 GHz,由于電纜損耗較大,測試數(shù)據(jù)參考意義不大;另外,在1.2～17.5 GHz頻率范圍內(nèi),1.8× 10-3m厚度石英氰酸酯平板透波率均超過0.7,具有良好的寬頻透波性能,這對后續(xù)天線罩材料的選擇和制作提供了參考依據(jù)。

4 結(jié) 語

針對石英氰酸酯玻璃鋼復(fù)合材料,采用電磁波反射、透射和等效傳輸線理論,建立了分析介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)和計(jì)算插入相位移的方法;討論了石英氰酸酯玻璃鋼復(fù)合材料的傳輸特性;數(shù)值仿真和實(shí)測結(jié)果表明,在頻帶1.2～18 GHz,水平方位角-40°～40°范圍內(nèi),厚度為1.8×10-3m的石英氰酸酯平板功率傳輸系數(shù)均大于60%,表現(xiàn)出良好的寬頻特性,為天線罩材料的選擇和制備起到了參考數(shù)據(jù)。同時(shí)文中測試支架的制備和選擇值得參考。最后,材料選擇是天線罩設(shè)計(jì)關(guān)鍵的一步,材料選定后,下一步將對曲面天線罩進(jìn)行仿真分析與實(shí)測。

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李高生(1988—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)樘炀€罩電訊性能設(shè)計(jì)和電磁兼容;

LI Gao-sheng(1988-),male,M.Sci., engineer,majoring in radome electrical design and EMC.

明永晉(1988—),男,碩士,主要研究方向?yàn)樘炀€罩電訊性能設(shè)計(jì)。

MING Youg-jin(1988-),male,M.Sci.,mainly engaged in radome electrical design.

Radome Equivalent Transmission Line Theory and Application

LI Gao-sheng1,MING Yong-jin2
(1.Avionics(CETCA),China Electronics Technology Group Corporation,Chengdu Sichuan 610000,China; 2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics(NUAA),Nanjing Jiangsu 210016,China)

This paper firstly describes common shapes,types and wall constructions of the radome,then with equivalent transmission line theory gives and analyzes the test procedures and results of Quartz/CE plat in 0.976 m×0.976 m×0.001 8 m dimensions.Measurements are performed from 1.2 to 18 GHz in 0.5 GHz steps,and from-40°to 40°in 1°.Both theoretical and test results indicate the correctness of transmission line theory,and test results also simultaneously provide a reference data for skin material selection in radome design.

equivalent transmission line theory;Quartz/CE;Radome

O451

A

1002-0802(2014)01-0007-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.002