天线罩等效传输线理论及应用

李高生,明永晋

(1.中电科航空电子有限公司,四川成都610000;2.南京航空航天大学,江苏南京210016)

天线罩等效传输线理论及应用

李高生1,明永晋2

(1.中电科航空电子有限公司,四川成都610000;2.南京航空航天大学,江苏南京210016)

首先介绍了天线罩常见外形、分类和罩壁形式;其次采用电磁波反射、透射和等效传输线理论,建立了分析功率传输系数和计算插入相位移的方法;最后给出了石英氰酸酯平板宽频特性测试流程和结果,理论和测试结果共同验证了等效传输线理论的正确性,平板尺寸0.976 m×0.976 m× 0.001 8 m,测试频段1.2～18 GHz,测试水平方位角-40°～40°内,石英氰酸酯平均功率传输系数均大于60%,表现出了良好的宽频特性;测试结果为天线罩蒙皮材料的选择提供了参考数据。

等效传输线理论 石英氰酸酯 天线罩

0 引 言

天线罩是飞行器的重要部件,用于保护内部天线或其他系统免受雷击、静电、雨蚀、高温和高压等恶劣环境的影响,同时在电磁窗口内具有较高的功率传输系数和较小的相位变化。

1 天线罩外形及分类

1.1 天线罩外形

天线罩外形多种多样,主要有截球形、锥形、正切卵形、正割卵形、冯卡曼形、半球形和幂形等形状[1-3],从电气特性角度出发,要求天线罩曲率半径大,外形光滑,所以理想外形为半球形天线罩[2];从空气动力学角度出发,要求天线罩具有良好的流线型,比如正切卵形,冯卡曼形等。部分天线罩外形图如图1所示。

图1 常用天线罩外形Fig.1 Common radome shapes

地面雷达天线罩为固定天线罩,适应风、霜、雨、雪、冰、沙等恶劣环境的前提下,获得良好的透波特性为第一目标,所以外形一般为截球形。外形为截球形并已在实际中应用的地面雷达天线罩有10 m直径泡沫夹层天线罩,18.6 m直径蜂窝夹层天线罩,28 m准随机分割高性能泡沫夹层天线罩[1-2,4],高性能航管雷达天线罩,薄壁异形天线罩等。

航空航天天线罩外形的选择很大程度上依赖于空气动力学和组成天线罩的材料,因为外形决定了天线罩受到的空气阻力大小,材料决定了天线罩的耐高温、雨蚀和动态压力等特性,所以在航空航天天线罩设计中,外形和材料的选择是十分关键的。电气性能和空气动力学是天线罩设计中需要同时兼顾的两个方面,但两者又是矛盾的,比如锐度比小于2.25时,正切卵形天线罩空气动力学特性优于正割卵形,但后者产生的瞄准误差更小[5]。所以,在天线罩设计中,应综合考虑电气和力学性能。

1.2 天线罩的分类及罩壁形式

按照使用场合的不同,根据美国军标将天线罩分为三级:1级为航空航天天线罩,2级为舰载天线罩,3级为固定天线罩[2]。

按结构形式分类,天线罩可以分为空间桁架式和薄壳式[1]。空间桁架式结构经常用于大型的地面或舰载天线罩,采用自行支撑式结构设计,整个结构为由坚固的刚性骨架蒙上能透过电磁波的薄膜或其它多层蒙皮组成的自承结构;支撑骨架采用金属或介质材料,工作波长低于L波段的常用介质材料,高于L波段的常用金属材料[2]。薄壳式天线罩采用均匀和近似于各项同性的电介质材料制成一个平滑、被截割的球体或其它形状;薄壳式天线罩分为刚性和充气式两种,充气式尺寸较大,刚性式尺寸较小,如预警飞机旋罩、机头罩和导弹罩等[1-2]。

按罩壁形式分类,天线罩可分为单层、A夹层、B夹层、C夹层、多层和加载金属丝等结构[6-7],见图2。

图2 天线罩基本罩壁形式Fig.2 Fundamental radome structures

单层天线罩又可以分为薄壁、半波长结构和变厚度单层半波长结构。薄壁结构的电气厚度一般小于λ/20;半波长结构是指单层壁厚等于介质波长的一半,在中心频点功率传输趋于100%;变厚度单层半波长结构是为了保证在一定入射角范围内有较大的功率传输系数和均匀插入相位移采取的有效措施。单层结构天线罩适用于窄频天线罩。

A夹层天线罩由两层高密度蒙皮和低密度的中间芯层组成;蒙皮一般是玻璃纤维增强塑料和高频陶瓷等,中间芯层为泡沫或蜂窝状结构。A夹层结构多用于尺寸较小飞行器的流线型天线罩,也常与介质桁架做成高质量的地面雷达天线罩。

B夹层天线罩由两个具有适当介电常数和适当厚度的外蒙皮及一个匹配的高介电常数中间芯层组成。B夹层可以做成双波段的天线罩。

C夹层天线罩具有五层结构,由内外两个蒙皮、一个中心蒙皮和两个中间芯层组成。C夹层透波性能好,工作频带宽,但插入相位移随入射角的变化剧烈。

多层天线罩具有五层或以上结构,有奇数的高密度蒙皮和偶数的低密度芯层组成,随着天线罩层数的增加,天线罩宽频特性得以改善。多层结构天线罩常做成平板状,如微波透波墙等。

加载金属丝天线罩[8-9]原理是在天线罩罩壁介质的表面或介质中间植入了按一定方式排列的细金属丝,使金属丝的等效电抗匹配两侧介质的等效电抗,从而提高天线罩的功率传输特性。有资料表明,美国F-15型战斗机的新型号天线罩即采用了金属丝电抗加载结构,天线罩罩壁介质中布置了细镀银软铜线[9]。

2 等效传输线理论分析

天线罩的单层或多层介质结构可以用等效传输线理论[10-11]进行描述。等效传输线理论通过简明的矩阵级联形式解释了电磁波与介质相互作用的问题。它基于以下假设:①电磁波在天线近区内为平面波,它从口径出发沿直线传播;②天线罩的曲率半径远大于波长[1]。在上面假设基础下,天线发出的电磁波与罩壁的相互作用可近似为平面波与介质平板之间的作用,天线罩罩壁的传输特性与反射特性可用等效传输线理论描述,即天线罩罩壁局部平面近似,而无需考虑具体的天线罩外形和天线特性。

如图3所示,一个沿任意Ki方向入射到介质表面的均匀平面波,其电场和磁场均在垂直于Ki的平面内,但不一定在由Ki和界面法线n组成的入射平面内。为了简化问题,入射波电场矢量可以分解为平行于入射面和垂直于入射面的两个分量。电场在入射平面内的分量E||称为水平极化波,电场在入射平面法线方向的分量E⊥称为垂直极化波。水平极化波和垂直极化波入射到介质平面时反射与透射规律不同。

图3 入射电磁波极化方式Fig.3 Incident with polarized electromagnetic wave

如图4所示,ε0和μ0分别为自由空间的介电常数和磁导率;di、εi和μi分别为第i层介质的厚度、介电常数和磁导率;θ0为电磁波从自由空间到第1层介质的入射角。n层介质板被等效为n级四端口网络,其网络总级联矩阵为T,即:

Zi对水平极化和垂直极化分别有

式(3)、式(4)中,Z0为自由空间特征阻抗。

由此可得n层介质板的电压传输和反射系数分别为

式(5)中变量Z0可以分解为水平和垂直极化情况,即。电压传输系数还可以表示为T=|T|exp(-jφT),则插入相位移(IPD)为

功率传输系数,即透波率可写为

Tt=|T|2(8)

图4 多层平板电磁波传输示意Fig.4 Illustration of electromagnetic transmission through multiple plates

3 平板天线罩实测结果与分析

3.1 测试准备

石英氰酸酯样板[12]的测试流程在大型微波暗室中完成,南京航空航天大学天线与电磁散射实验室(简称南航微波暗室[13])于1986年4月建成,有微波暗室和测量控制室两部分组成,微波暗室尺寸为24 m×8.5 m×8.5 m,测量控制室尺寸为6 m× 4.5 m×5 m,南航微波暗室曾先后作为Z-8、Z-9和Y-8等天线罩的测试场地。微波暗室测试示意图如图5所示,转台与接收天线距离为11.5 m,满足一般测试的远场条件(R≥,D为天线的最大尺度),待测设备EUT(Equipment Under Test)距离地面3.4 m,测试转台为三维转台,可升降、俯仰和水平旋转,可本地控制或远程控制。微波暗室测试条件满足本次的测试需求。

图5 微波暗室测试示意Fig.5 Illustration ofelectromagnetic dark room

平板测试实验待测设备EUT即测试平板,测试平板为石英氰酸酯玻璃钢复合材料[14-15],表1给出不同频点下其介电性能测试数据,测试数据为多次测量的平均值,测量方法为谐振腔法;平板结构为单层,尺寸为0.976 m×0.976 m×0.001 8 m,平板厚度的选择兼顾了后续成型天线罩的力学、热学和电学性能。测试平板电学性能要求在0～40°入射角内,透波率大于60%。平板测试中发射与接收天线均为喇叭天线。微波暗室测试平板与支架如图6所示,其中测试支架为木质结构,重量轻,与金属支架比反射小,平板可嵌入其中进行测试。

图6 微波暗室测试平板和支架Fig.6 Testing plate and its mount in the dark room

平板测试中有一些注意事项,如下:

1)测试中,天线馈线尽可能缩短,避免高频信号衰减及干扰问题。

2)尽可能集中喇叭天线主波束方向指向平板中心,避免边缘电磁波绕射等问题。

3)平板测量是无和有平板两次测量数据的比较,测试中需要装/取平板和支架,尽可能减少中间操作对测试结果的影响。

4)多次测量,取平均值作为最后的实验结果。

微波暗室可实现频带和方位角扫描,所以可实现平板0～40°的转动和测量。

表1 石英氰酸酯材料介电性能测试数据Table 1 Testdata of Quartz/CE permittivity

测试完毕后,得到的数据为功率值(单位: dB),不妨设裸天线的测试值为PA,天线加平板的测试值为PR,对应的透波率为Tt,则有:

由式(9)可得,加平板后测试功率值降低1 dB,透波率约等于0.79(0.8左右);降低2 dB,透波率约等于0.63(0.6左右),降低3 dB,透波率约等于0.501(0.5左右);以此为依据可在控制室直接查看数据的正确性,若出现3 dB以上的情况,应迅速查找原因,如电缆连接是否正确,信号源是否正常工作,信号源功率是否稳定等,避免重复性工作的出现。

3.2 测试结果与分析

图7和图8分别给出了频率为17 GHz和17.5 GHz平板测试值与理论值的比较,其中理论值为等效传输线理论计算结果;横轴为水平方位角,左纵轴为式(9)中的透波率,右纵轴(虚线表示)为理论值与实测值的差值占理论值的百分比。从图中可以看出,除了个别点(17 GHz,10°～20°存在两个点; 17.5 GHz,10°左右,40°～45°各存在一点)之外,实测结果和理论计算比较吻合,测试值均在理论值的±5%范围内;频率为17.5 GHz,水平方位角为45°,石英氰酸酯平板透波率仍大于0.55,这说明石英氰酸酯玻璃钢复合材料具有良好的宽频特性,对后续天线罩材料的选择和制备起到了有益的指导作用。

图7 频率17 GHz测试值与理论值比较Fig.7 Comparison of test and theoretical values at 17 GHz

图8 频率17.5 GHz测试值与理论值比较Fig.8 Comparison of test and theoretical values at 17.5 GHz

设测试平板特定频率f、极化p(垂直极化v,水平极化h)、俯仰角θ和方位角φ条件下的透波率为T(f,p,θ,φ)。测试平板在θ=0°,φ正负45°内透波率的平均值记为Tave(f,p,θ),则

此处N=91,为总测试采样点数,即在±45°内的扫描角度间隔数,方位角间隔为1°。

图9给出测试平板整个频带内平均透波率Tave(f,v,θ)理论值和测试值变化曲线。从图中可以看出,高频情况下,测试数据和理论值吻合的较好;低频情况稍差。这主要是由以下原因造成的:

1)测试平板是有限大的,低频情况下绕射情况严重。

2)测试使用的喇叭天线和测试平板之间的距离有限,发射天线入射到平板的电磁波不是均匀平面波。

3)理论值计算时,采用石英氰酸酯玻璃钢复合材料的介电常数为恒值(温度为25℃,频率9.375 GHz下的测试结果,介电常数εr=3.3,损耗角正切tanδ=5×10-3),从表1可以看出,石英氰酸酯材料介电性能随频率呈减小趋势,即低频情况下,理论值计算时介电常数偏小,透波率偏大,和图9中出现的规律一致。

图9 整个频带内平均透波率变化曲线Fig.9 Illustration of average power transmission coefficient through the whole frequency band

18 GHz,由于电缆损耗较大,测试数据参考意义不大;另外,在1.2～17.5 GHz频率范围内,1.8× 10-3m厚度石英氰酸酯平板透波率均超过0.7,具有良好的宽频透波性能,这对后续天线罩材料的选择和制作提供了参考依据。

4 结 语

针对石英氰酸酯玻璃钢复合材料,采用电磁波反射、透射和等效传输线理论,建立了分析介质平板功率传输系数和计算插入相位移的方法;讨论了石英氰酸酯玻璃钢复合材料的传输特性;数值仿真和实测结果表明,在频带1.2～18 GHz,水平方位角-40°～40°范围内,厚度为1.8×10-3m的石英氰酸酯平板功率传输系数均大于60%,表现出良好的宽频特性,为天线罩材料的选择和制备起到了参考数据。同时文中测试支架的制备和选择值得参考。最后,材料选择是天线罩设计关键的一步,材料选定后,下一步将对曲面天线罩进行仿真分析与实测。

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李高生(1988—),男,硕士,工程师,主要研究方向为天线罩电讯性能设计和电磁兼容;

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

明永晋(1988—),男,硕士,主要研究方向为天线罩电讯性能设计。

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