岳 松，李 翔，戚向波，王傳兵，周永鑫，潘 蕊

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所,北京 100076)

0 引言

透波罩是精確制導(dǎo)飛行器的一個(gè)重要部件，位于飛行器的最前端。一方面，透波罩維持飛行器的氣動(dòng)外形，承載著最嚴(yán)酷的力熱環(huán)境，滿(mǎn)足承載和隔熱的需求；另一方面，透波罩是雷達(dá)導(dǎo)引頭電磁波進(jìn)出的窗口[1,2]。因此，透波罩在承載和隔熱使用需求的前提下，透波設(shè)計(jì)更為重要。

導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)飛行器的眼睛，透波罩就是導(dǎo)引頭的護(hù)目鏡。導(dǎo)引頭的功率和增益決定了導(dǎo)引頭的探測(cè)距離，但電磁波透過(guò)透波罩后都會(huì)產(chǎn)生反射和衰減，因此透波罩的功率傳輸系數(shù)對(duì)探測(cè)距離有著直接且顯著的影響。因此，提高透波罩的功率傳輸系數(shù)，對(duì)于提高導(dǎo)引頭的距離和作戰(zhàn)效能具有重要的意義[3,4]。

常用的導(dǎo)引頭有機(jī)械掃描和相控陣兩種形式。目前，機(jī)械掃描導(dǎo)引頭在末制導(dǎo)飛行器中獲得廣泛應(yīng)用，由導(dǎo)引頭天線(xiàn)、機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)和發(fā)射機(jī)等元器件組成，天線(xiàn)口面通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)獲取不同的朝向，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的追蹤。機(jī)械掃描導(dǎo)引頭波束始終與天線(xiàn)口面垂直，波束增益、3dB波束寬度等主要指標(biāo)不隨天線(xiàn)掃描角變化，便于透波罩的設(shè)計(jì)。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，相控陣導(dǎo)引頭逐漸被采用。相控陣導(dǎo)引頭具有功率密度大、電掃描快速跟蹤、多目標(biāo)信息提取、空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理、自適應(yīng)抗干擾、體積小和可靠性高等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是精確制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)展方向[5,6]。平面相控陣導(dǎo)引頭天線(xiàn)口面與透波罩的相對(duì)位置不變，通過(guò)波控器調(diào)整波束指向，波束增益、3dB波束寬度等主要指標(biāo)隨掃描角會(huì)有所變化，從而給透波罩透波設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的問(wèn)題。

功率傳輸系數(shù)是透波罩損耗引起的主瓣峰值電平的變化，通常采用有罩和無(wú)罩時(shí)天線(xiàn)增益最大值之差來(lái)表示。天線(xiàn)介質(zhì)平板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行透波率計(jì)算和仿真，透波罩通常為曲面結(jié)構(gòu)，對(duì)于曲率較小的結(jié)構(gòu)，平板結(jié)構(gòu)與透波罩透波性能較為接近，可以采用平板結(jié)構(gòu)對(duì)透波罩進(jìn)行等效分析。文章采用介質(zhì)平板作為研究對(duì)象，分別針對(duì)機(jī)械掃描天線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)掃天線(xiàn)、MSA)和平面相控陣天線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)相掃天線(xiàn)、PAA)開(kāi)展透過(guò)介質(zhì)平板的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖仿真，獲取機(jī)掃、相掃天線(xiàn)下介質(zhì)平板的功率傳輸系數(shù)，分析天線(xiàn)掃描角、波束入射角對(duì)功率傳輸系數(shù)的影響，并給出了提高采用相掃天線(xiàn)的透波罩功率傳輸系數(shù)的優(yōu)化方法。

1 機(jī)掃天線(xiàn)和相掃天線(xiàn)波束寬度對(duì)比

由于透波罩功率傳輸系數(shù)采用的有罩、無(wú)罩時(shí)天線(xiàn)的增益差，因此功率的絕對(duì)值對(duì)功率傳輸系數(shù)沒(méi)有影響，而波束寬度是影響功率傳輸系數(shù)的主要參數(shù)。機(jī)掃天線(xiàn)波束始終與天線(xiàn)口面垂直,各掃描角波束寬度一致，波束關(guān)于中心軸線(xiàn)具有良好的對(duì)稱(chēng)性；相控陣導(dǎo)引頭主要采用平面陣列，通過(guò)波控器調(diào)整波束指向，除0°掃描角外，各掃描角波束與天線(xiàn)口面均有一定的夾角。某機(jī)掃、相掃天線(xiàn)不同掃描角對(duì)應(yīng)的3dB波束寬度如圖1所示。

圖1 機(jī)掃、相掃天線(xiàn)波束寬度隨掃描角變化圖

從圖1可以看出，小角度下相掃天線(xiàn)3dB波束寬度與機(jī)掃天線(xiàn)一致，隨著掃描角的增大，波束寬度迅速展寬。因此，采用機(jī)掃天線(xiàn)與相掃天線(xiàn)得出的透波罩功率傳輸系數(shù)也有所不同。

2 理論計(jì)算與仿真分析

2.1 平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真建模

將介質(zhì)平板代替透波罩作為分析對(duì)象，采用ku波段中心頻點(diǎn)15GHz作為計(jì)算中心頻率f0，開(kāi)展介質(zhì)平板最優(yōu)厚度的理論計(jì)算與功率傳輸系數(shù)的仿真分析。介質(zhì)平板采用石英陶瓷類(lèi)材料，相對(duì)介電常數(shù)為3.1，損耗忽略不計(jì)。介質(zhì)平板采取整階數(shù)的半波壁厚，單層平板最佳厚度由公式(1)給出。

(1)

其中，m為階數(shù)，λ為波長(zhǎng)，εr為相對(duì)介電常數(shù)，θ為入射角。

當(dāng)m=3時(shí)，由公式(1)可得到不同入射角對(duì)應(yīng)的平板厚度。由于大入射角時(shí)介質(zhì)平板的功率傳輸系數(shù)對(duì)厚度變化較為敏感，因此選取50°入射角進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取0°入射角進(jìn)行對(duì)比。0°、50°入射角對(duì)應(yīng)的最佳厚度分別為17mm和18.9mm。

采用不同3dB波束寬度的天線(xiàn)近場(chǎng)數(shù)據(jù)，用于介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)仿真。采用CST仿真軟件，建立了如圖2所示的仿真模型。仿真模型由天線(xiàn)和介質(zhì)平板組成，其中天線(xiàn)采用近場(chǎng)數(shù)據(jù)等效代替，介質(zhì)平板厚度由公式(1)給出。同時(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)天線(xiàn)的方式改變天線(xiàn)和介質(zhì)平板的夾角，獲取不同的天線(xiàn)掃描角和入射角。

2.2 小入射角仿真分析

首先采取機(jī)掃天線(xiàn)對(duì)0°入射角17mm厚介質(zhì)平板進(jìn)行仿真。各3dB波束寬度下f0-200MHz(f0-)、f0、f0+200MHz(f0+)三個(gè)頻點(diǎn)介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，該狀態(tài)下平板功率傳輸系數(shù)較大，部分超過(guò)了100%，這是由于天線(xiàn)透波平板后波束會(huì)出現(xiàn)一些變化，導(dǎo)致主瓣寬度會(huì)變窄或者變寬，主瓣增益增大或減小，對(duì)于主瓣增益增大的情況，功率傳輸系數(shù)會(huì)大于100%。但對(duì)于總能量而言，天線(xiàn)總的輻射能量不會(huì)增大。

采用相掃天線(xiàn)50°掃描角波束對(duì)0°入射角的介質(zhì)平板進(jìn)行功率傳輸系數(shù)的仿真。仿真模型如圖3右圖所示，即波束與介質(zhì)平板垂直而與天線(xiàn)口面有50°夾角，功率傳輸系數(shù)仿真結(jié)果如表2所示。

對(duì)比表1、表2可以看出，機(jī)掃、相掃兩種方式，小入射角狀態(tài)下，功率傳輸系數(shù)受3dB波束寬度影響不大。

表2 相掃天線(xiàn)小入射角介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)(%)

2.3 大入射角仿真分析

采取機(jī)掃天線(xiàn)對(duì)50°入射角18.9mm厚介質(zhì)平板進(jìn)行仿真。各3dB波束寬度下f0-200MHz(f0-)、f0、f0+200MHz(f0+)三個(gè)頻點(diǎn)介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)如表3所示。

從表3可以看出，采用機(jī)掃天線(xiàn)大入射角的介質(zhì)平板在各波束寬度下均獲得良好的功率傳輸系數(shù)，3dB波束寬度對(duì)功率傳輸系數(shù)無(wú)顯著影響。與表1相比，采用機(jī)掃天線(xiàn)的介質(zhì)平板入射角對(duì)功率傳輸系數(shù)的影響不大。

表3 機(jī)掃天線(xiàn)大入射角介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)(%)

針對(duì)相掃天線(xiàn)對(duì)50°入射角18.9mm厚介質(zhì)平板進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3的左圖所示，即天線(xiàn)與介質(zhì)平板平行，仿真結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 相掃天線(xiàn)介質(zhì)平板大入射角功率傳輸系數(shù)(%)

從表4中可以看出，隨著3dB波束寬度的增大，采用相掃天線(xiàn)的介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)逐漸降低。對(duì)比表3與表4，同為50°入射角，相同3db波束寬度下，相掃天線(xiàn)得到的功率傳輸系數(shù)明顯小于機(jī)掃天線(xiàn)，波束寬度越大，差異越明顯。因此，相掃天線(xiàn)大掃描角、大入射角時(shí)，波束寬度對(duì)功率傳輸系數(shù)有顯著影響，功率傳輸系數(shù)隨3db波束寬度的增大而降低。

2.4 相掃天線(xiàn)不同入射角仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證掃描角、入射角對(duì)功率傳輸系數(shù)的影響，采用相同波束寬度的相掃天線(xiàn)(約10°)，針對(duì)各入射角對(duì)應(yīng)的最佳厚度，開(kāi)展相掃天線(xiàn)不同入射角功率傳輸系數(shù)的仿真，結(jié)果如表5所示。

表5 相掃天線(xiàn)介質(zhì)平板不同入射角功率傳輸系數(shù)(%)

從表5可以看出，相同波束寬度下，小入射角狀態(tài)下，相掃天線(xiàn)介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)隨入射角變化不大，隨著入射角的增大,相掃天線(xiàn)介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)逐漸降低。此外，根據(jù)f0-、f0、f0+三個(gè)頻點(diǎn)的仿真結(jié)果，大入射角下中心頻點(diǎn)的功率傳輸系數(shù)較優(yōu)，說(shuō)明盡管此時(shí)功率傳輸系數(shù)降低，但厚度始終處于較為匹配的狀態(tài)。

2.5 相掃天線(xiàn)不同厚度仿真分析

由于相掃天線(xiàn)大掃描角、大入射角的工作狀態(tài)不可避免，嘗試采用改變厚度的方式提高功率傳輸系數(shù)。采用同一相控陣波束在50°入射角下對(duì)不同厚度介質(zhì)平板進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 相掃天線(xiàn)不同厚度介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)(%)

從表6可以看出，相控陣波束在50°入射角下，介質(zhì)平板加厚或減薄均無(wú)法提高平板的功率傳輸系數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了半波壁厚設(shè)計(jì)方法同樣適用于相掃天線(xiàn)大入射角大掃描角工作狀態(tài)。

綜上所述，在一定3dB波束寬度范圍內(nèi)，機(jī)掃天線(xiàn)平板功率傳輸系數(shù)與波束寬度無(wú)關(guān)；相掃天線(xiàn)小入射角、小掃描角時(shí)平板功率傳輸系數(shù)與波束寬度關(guān)系不大，在大入射角、大掃描角下，功率傳輸系數(shù)隨著波束寬度和入射角的增大而迅速降低，且無(wú)法通過(guò)優(yōu)化厚度改善。

3 天線(xiàn)方向圖對(duì)比分析

介質(zhì)平板的功率傳輸系數(shù)是通過(guò)比較天線(xiàn)加介質(zhì)平板(有罩)方向圖和單天線(xiàn)(無(wú)罩)方向圖的增益得到的，從有罩、無(wú)罩的天線(xiàn)方向圖中也可以分析出大入射角大掃描角下相掃天線(xiàn)介質(zhì)平板功率傳輸系數(shù)下降的原因。選取50°入射角的機(jī)掃、相掃兩種狀態(tài)，比較有罩、無(wú)罩兩種狀態(tài)的天線(xiàn)方向圖，如圖3所示。

圖3 天線(xiàn)方向圖對(duì)比

從圖3中可以看出，機(jī)掃天線(xiàn)有罩、無(wú)罩兩種狀態(tài)下天線(xiàn)方向圖基本無(wú)畸變，方向圖對(duì)稱(chēng)性良好，主瓣寬度和副瓣電平均無(wú)明顯變化；相掃天線(xiàn)無(wú)罩狀態(tài)下天線(xiàn)方向圖左右存在明顯不對(duì)稱(chēng)，有罩狀態(tài)下主瓣寬度明顯變窄，副瓣顯著提高，對(duì)導(dǎo)引頭成像精度均會(huì)造成不利的影響。

4 透波罩設(shè)計(jì)建議

從第2、3節(jié)的分析可知，相掃天線(xiàn)在大入射角下功率傳輸系數(shù)下降，方向圖畸變嚴(yán)重，無(wú)法通過(guò)優(yōu)化厚度改善，這些不利因素均會(huì)影響導(dǎo)引頭的性能。因此，需要開(kāi)展天線(xiàn)-透波罩的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)。一是采用相控陣天線(xiàn)的透波罩在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮重要的透波區(qū)域，相控陣天線(xiàn)采用一定的預(yù)置角，使重點(diǎn)透波區(qū)域處于天線(xiàn)的小掃描角，如圖4(a)所示。二是采用球面相控陣天線(xiàn)，使相控陣天線(xiàn)獲得與機(jī)掃天線(xiàn)一樣的波束性能，各個(gè)掃描角波束均保持良好的波束寬度和對(duì)稱(chēng)性，如圖4(b)所示。兩種方案均需要進(jìn)行天線(xiàn)-透波罩協(xié)同優(yōu)化，使得天線(xiàn)在滿(mǎn)足熱環(huán)境使用要求的前提下，獲取足夠的艙內(nèi)空間。

(a) (b)

5 結(jié)論

本文針對(duì)采用相掃天線(xiàn)的透波罩在大掃描角、大入射角時(shí)功率傳輸系數(shù)下降的問(wèn)題，開(kāi)展了理論計(jì)算與仿真分析。結(jié)果表明：天線(xiàn)在一定波束寬度下，機(jī)掃天線(xiàn)平板功率傳輸系數(shù)與波束寬度無(wú)關(guān)，相掃天線(xiàn)平板在小入射角下功率傳輸系數(shù)與波束寬度關(guān)系不大，在大入射角下，功率傳輸系數(shù)隨著入射角和波束寬度的增大而迅速降低，且無(wú)法通過(guò)優(yōu)化厚度改善。采用一定的預(yù)置角的平面相控陣天線(xiàn)以及球面相控陣天線(xiàn)，通過(guò)天線(xiàn)-透波罩的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以解決這一問(wèn)題。