天线方向图的天线罩赋形补偿

李维山 陈琴

【摘 要】针对天线罩对天线辐射电磁波的不均匀插入相位延迟使天线方向图发生了畸变，导致接收系统信号失真，在畸变方向上探测器灵敏度降低的问题，本文提出了天线罩赋形的方法，该方法通过修正天线罩内腔使通过天线罩的电磁波相位超前或滞后，结合天线罩的透射系数相位分布，使两者的相位差抵消，达到天线方向图的补偿，仿真和测试表明该方法有效的解决了天线方向图畸变导致的接收系统灵敏度降低的问题。

【关键词】天线方向图;赋形;天线罩

0 引言

天线罩是安装在弹体头部天线外的单层锥形保护罩，弹体飞行过程中处于高速加载、加热以及各种沙尘冲击等严峻环境中，天线裸露在外将会影响其正常性能，天线罩的使用虽然保护了天线，但天线罩对天线辐射电磁波的不均匀插入相位延迟，使天线方向图发生了畸变，探测器接收系统在畸变方向上灵敏度降低，探测系统要求天线罩保证天线发射和接收通过天线罩的电磁波信号不失真或畸变很小，从而保证探测误差在允许的范围内。为解决天线罩引起的天线方向图畸变的问题，文献[1-3]对天线罩的电磁特性进行了分析、仿真，如何补偿没有给出方案，文献[4]提出在制造过程中对天线罩壁的电厚度进行测量，根据测量结果再进行电性能补偿，这种方法周期长，工程实现性差，文献[5]通过调整馈源的轴向偏焦补偿，对反射面天线补偿效果明显而对弹载天線指导意义不大。本文提出了一种天线罩赋形的补偿方法，以满足探测系统要求。

1 天线罩电磁特性

要对天线罩的电性能进行补偿，就要先知道天线罩的电磁特性，目前对天线罩的电磁特型分析有高频方法和低频方法，高频方法有射线追踪法、口径积分—表面积分法、复射线法和全波分析法，低频方法有有限元法和矩量法。低频方法考虑了耦合效应，计算精度高，故本文采用矩量法进行电磁分析。

矩量法先应用口面积分计算天线罩内表面的电场值和磁场值作为矩量法分析的激励，根据回转体结构模型，将天线罩内表面的激励场作模式分解，建立积分方程组，求解得到天线罩表面等效电磁流，由等效电磁流求得远区辐射场。

图1 天线罩结构图

图2 电磁波的反射与折射

采用直角坐标系（x，y，z）描述天线罩的外形方程为：

x2■+y2■=（a/L）■（L-z）■（1）

由图1所示天线罩是一个围绕z轴旋转对称体，是具有一定厚度的曲面，可以采用三角形平板来离散模拟。

天线罩的传输特性如图2所示电磁波由自由空间入射到介质时，由于界面的不连续性，电磁波首先在界面上发生反射和折射，形成反射波和透射波，透射波由介质进入自由空间又发生反射和折射，进入介质的透射波分成两部分，一部分穿过介质进入自由空间形成透射波，另一部分在介质两界面上来回反射和折射，不断形成反射波和透射波，直至衰减为零。介质引起的反射是多次反射的叠加，总透射也是多次投射的叠加，电磁波在通过介质时产生了相位变化。

设天线罩的相对介电常数为ε，天线罩厚度为h，电磁波的入射角为θ，电磁波在空气中的波长为λ0，电磁波的相移量：

天线罩导致的相位变化与材料厚度、物性参数和入射角有关，当天线罩结构材料确定后相位分布只于入射角有关，虽然天线罩结构复杂，难以写出相位与材料物性的显性表达式，但相位的分布应该随入射角变化规律是非常明显的，如果电磁波以相同的入射角照射到一定厚度的介质板上其相位变化是相同的，仍是一等相位面，而天线罩的结构是锥形的，各点入射角不同，中心最大，向边缘逐渐减少，直至为零，又开始逐渐变大，入射角的减少可以看作材料厚度的减少，因此透过天线罩的相位差的分布是中心处最高，向四周逐渐增加直至零度，又开始变大，到达边缘大至半锥角。

2 天线罩赋形

如果想要减少天线罩的影响，主要是减少其相位分布的差异，其相位分布主要由天线罩材料的介电常数、损耗角正切、形状、厚度等决定，天线罩材料选定以后其介电常数和损耗角正切是一定的，天线罩的外形结构是为了满足弹体的空气动力学要求，现在只能通过改变天线罩内腔体的形状和厚度对天线罩的电性能进行补偿，天线赋形就是通过借助天线罩反射面产生特定方向图的反射面天线，就是通过对天线罩赋形使通过天线罩的电磁波形成一等相位面。

基于天线罩的回转体模型，运用矩量法建立电小尺寸的分析方法，利用回转体的特点采用适当的基函数将三维问题转化为二维问题，以降低计算量提高计算效率，给出天线方向图波束情况，确定天线罩上对应的物理位置，相应位置的电磁波入射角，修正天线罩内腔的形状，内腔形状的改变会导致该位置的透射波相位超前或滞后，如图3所示，由几何关系知，引起的相位变化为：

式中ε为天线罩的相对介电常数，θ是电磁波的入射角， 是电磁波在介质中的波长

图3 电磁波修正相位变化

根据天线罩透射系数如公式（2）所示的相位分布，使两者的相位偏差正好抵消，即实现了天线罩的电性能补偿，天线罩赋形结构如图5所示。

图4 无赋型天线罩结构             图5 赋形天线罩结构

3 仿真及验证

3.1 仿真

利用上述方法，进行仿真，天线罩外形为圆锥形，结构如图4、5所示。天线罩内的天线为23GHz波导口天线，天线罩厚度8.2mm，材料为聚四氟乙烯，介电常数取ε=2.5，分别计算23GHz频点的无天线罩的理想天线、有天线罩无赋形、有天线罩有赋形的天线远场方向图，得出仿真结果如图6至图11所示。

由仿真图可知，在正10度方向上，加天线罩存在一个较大的凹陷，在E面上下降了2.95dB，在H面上下降了2.91dB，利用公式（3）和（4）进行天线罩赋形，赋形后凹陷点上升，天线方向图失真变小，在E面上下降了1.03dB，在H面上下降了0.23dB，仿真表明利用天线罩赋形能有效的消除天线波束畸变，满足探测系统要求。

图6 无天线罩的理想天线E面

图7 无天线罩的理想天线H面

图8 有天线罩无赋形天线E面

图9 有天线罩无赋形天线H面

图10 有天线罩有赋形的天线E面

图11 有天线罩有赋形的天线H面

3.2 验证试验

对赋形天线罩连接探测系统在实验室进行拉距试验，利用16cm和24cm角反射体模拟目标特性，探测系统辐射电磁波照射到固定位置的模拟目标，模拟目标反射信号被接收天线接收，经探测系统的信号处理器处理，提取目标特性，检测探测器输出目标信号幅度，幅度大小正比于回波信号能量大小。

分别对无天线罩、赋形天线罩、无赋形天线罩进行了拉距试验，试验结果见表，由表1可以看出赋形天线罩补偿效果明显，在100上的测试结果赋形天线罩要比无赋形天线罩大2.7dB左右。

4 结论

本文提出了天线罩赋形的方法对天线方向图进行修正。通过对天线罩的内反射面进行赋形，使经过天线罩的电磁波相位超前或滞后，抵消天线罩透射电磁波的相位影响。仿真表明天线罩赋形有效的解决了天线方向图畸变的问题，通过实验室拉距试验证明天线罩赋形能够解决天线方向图畸变方向上探测灵敏度降低的问题。

【参考文献】

[1]杜耀惟.天线罩电信设计方法[M].北京：国防工业出版社，1993.

[2]宋大为.带罩天线电磁特性的分析技术研究[D]，西北工业大学.

[3]张广，曹祥玉，文曦，刘涛.一种天线罩结构的设计分析[J].系统工程与电子技术，2008，5：977-980.

[4]杨鲜锋.高频段毫米波天线罩的研制[J].纤维复合材料，2009，9：7-10.

[5]杨绍华，张福顺，焦永昌.天线罩电磁特性的仿真分析[J].西安电子科技大学学报，2004，31（6）：873-876.

[6]张生芳，郭东明，等.天线罩制造中的电厚度测量技术[J].仪器仪表学报，2004，8：34-37.

[责任编辑：张涛]