面向实战化的某型北斗设备高性能天线罩设计*

寇海军，张振华，亓 昌，刘建生，翁志能

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024）

0 引言

2020 年6 月随着第30 颗北斗3 号组网卫星的成功发射，完成了北斗3 号系统空间段组网，空间段的顺利组网及地面段的升级改造，北斗系统实现了星间链路和星地链路的联合组网，进一步提升了北斗卫星导航系统的服务能力［1］。北斗卫星导航系统作为陆军综合电子信息化的重要组成部分，对陆军综合作战、精细保障等作战能力的提升具有重要作用。

我军的北斗卫星导航信号的接收设备分为手持、车载和嵌入式，车载式终端应用于我军多型主战和保障装备上。为了便于无遮挡接收北斗卫星导航系统的无线电导航信号，车载型北斗信号接收终端置于各型装备的顶部。随着精确制导打击能力的发展，制导弹药对武器装备的威胁等级逐步提升，恶劣的战场环境对作战装备使用需求提出了更高的要求［2］。为了加快陆军相关装备适应新型号体制，并根据陆军相关装备的研制论证要求，现有车载北斗接收终端的常规天线罩已无法适应新型作战防弹需求，在战场环境下提高其抗毁伤能力，并同时保持高效的信号接收性能，已成为新一代信息化北斗装备研制的新研究课题。开发高透波、抗毁伤、轻量化型天线罩的需求越发迫切。

为了适应某新型在研北斗装备的研制需求，结合复合材料的电磁透波特性理论研究、电气仿真、试验研究，提出了一种高性能防弹天线罩设计方法，该天线罩具备一定战场抗毁伤性能，同时在工作的无线电频段范围内具有优异的透波性能。针对不同透波复合材料，进行了材料电气性能分析，通过对不同厚度复合材料的透波性能测试，明确了材料厚度与透波电性能的关系，同时通过对新型复合材料的实弹测试，验证了其防弹性能。通过理论、仿真及试验等综合技术手段，验证了该新型防弹天线罩结构的实战化应用性能。

1 天线罩应用需求

1.1 天线罩战场毁伤威胁及防护要求

北斗接收设备最大的威胁是来自于战场中各种爆炸物的打击或冲击波高温高压气流冲刷等多种形式破坏，新研制北斗设备未来会列装于陆军多型主战装备，陆战场环境下天线罩受到的毁伤威胁及需天线罩具备的防护要求分析如表1 所示。

表1 北斗设备毁伤威胁及天线罩防御等级Table 1 Beidou equipment damage threat and defense grade of radome

1.2 天线罩功能及作用

天线罩作为天线系统的重要组成部分，其不仅提供透明电磁窗口，且保护内部射频组件免受恶劣环境影响，使北斗设备工作性能稳定可靠。战场环境下，天线罩用来保护北斗设备免受各种爆炸碎片的直接或间接破坏。因此，在新型北斗设备研制阶段，提出兼具一般环境适应性和抗弹毁伤能力的防弹天线罩设计需求。

天线罩对射频组件形成防护作用，同时也成为射频天线前方天然的障碍物，改变射频天线的自由空间能量分布，一定程度上影响了设备对卫星信号的接收和发射［3］。北斗设备对于无线电信号的接收性能也是北斗设备的重要评价指标之一。因此，北斗设备天线罩在设计阶段，既需要考虑其防弹性能，同时还必须兼顾其具有优异的电器性能。

综上，兼顾北斗新型设备的防护和使用需求，天线罩在设计时，需要统筹考虑其功能，防弹和透波性能。

2 防弹天线罩设计

天线罩设计头绪较多，但主要问题是如何优先满足天线罩的电性能，其次满足其防护性能。天线罩的电性能、结构性能和工艺材料相互关联又相互制约，需统筹考虑，协同设计，寻求一种最佳的设计方案［4-5］，需通过充分的理论分析、仿真及试验验证方案设计。

2.1 天线罩结构

根据新型北斗设备的研制需求，整机主要包括：防弹天线罩、阵列天线组件、防弹壳体及安装过渡板等几大功能性结构模块，如图1 所示。整机设计为扁平圆柱状结构形态，可有效减小设备的投影面积，增强结构抗爆毁伤性能。

为了适应装备的设计形态，防弹天线罩设计为顶部略带弧度的穹型圆顶结构，可有效降低天线罩由于雨水附着带来的接收电磁信号的散射损失。为了有效保证天线罩的防弹性能及由于厚度不均匀凸起引起高频能量信号的绕射和反射，天线罩设计时尽量保持天线罩壁厚较为均匀一致，天线罩外形如图2 所示。

图2 防弹天线罩外形示意图Fig.2 Sketch map of outward appearance of bulletproof radome

2.2 材料选型

为了高效、可靠地满足透波需求，一般要求材料具有优异的介电性能，即要有低的介电常数（ε＜10）和损耗角正切值（tanδ＜10-2），材料的这两个性能指标直接影响天线罩的电性能，是选择天线罩材料的主要依据。一般情况下，在0.3 GHz～300 GHz 频率范围内，透波材料的适宜值ε 为1～4，tanδ 值为0.1～0.001，这样才能获得较理想的透波性能和较小的传输损耗［6］。对于接收北斗无线电波段信号的北斗设备，纤维增强有机耐热树脂基复合材料，以其优异的电气性能和机械性能，受到广泛关注及应用。

透波高分子复合材料应用较成熟的有玻璃纤维、芳纶纤维和UHMWPE。玻璃纤维天线罩战场防护能力欠佳极易被破坏，装备生存能力低。芳纶纤维和UHMWPE 兼具优异的透波和防弹性能。表2列举了不同纤维材料的物理参数以及在频率为9.375 GHz 时的电性能［7］，分析可知：芳纶纤维和UHMWPE 不管在材料轻量化、机械强度及电性能方面表现出一定综合优势。从使用环境考虑，制造天线罩的透波材料应具有良好的耐高温和耐腐蚀性能。新型北斗设备环境适应性要求设备的贮存温度：-55 ℃～+70 ℃，工作温度：-40 ℃～+55 ℃。UHMWPE 材料成型结构在高温环境下，会有一定高温软化特性，影响其一定防弹性能。因此，综合比较芳纶材料的综合性能较优。

表2 不同纤维材料的物理和介电参数比较Table 2 Comparison between physical and dielectric parameters of different fiber material

2.3 天线罩壁厚

罩壁厚度与天线罩的透波能力反相关，而与天线罩的防弹能力正相关。设计天线罩时，满足设备对其电器性能的需求应作为首要考虑要素。在电性能上，壁厚的选择应根据工作波长、所用材料等在电气和结构性能上互相兼顾。设计均质单层结构天线罩时，无损耗介质的最佳厚度计算公式可参照［8］：

其中，d 为天线罩的最佳理论厚度，n 为正整数，阶数一般取1 或2，为自由空间波长，ε 为相对介电常数，θ 为入射角。由上式可知，n 值越小，则天线罩壁厚越薄，当n=1 时，称为半波长天线罩，对应于2～10 介电常数的最佳厚度如图3 所示。

图3 无损耗介质的最佳半波长壁厚Fig.3 Best wall thickness of half-wave length without consumed media

卫星导航设备的频点有多个，北斗三号卫星导航系统频点波段波长从11.8 cm～25.5 cm，其半波长为5.9 cm～12.7 cm。卫星导航接收设备的尺寸一般较小，因此，通常采用薄壁天线罩结构形式，天线罩厚度取波长的，即天线罩厚度约为mm。防弹天线罩材料选用芳纶Ⅲ纤维增强复合材料，天线罩壁厚适宜取约3 mm～6.5 mm。

3 芳纶Ⅲ纤维增强复合材料板透波仿真及试验

3.1 芳纶板电性能仿真

基于以上分析的天线罩理论壁厚，应用Ansys HFSS 电磁仿真软件，分别对厚度为4、5、7（mm）3种不同厚度的芳纶Ⅲ纤维增强复合材料板进行了透波仿真分析，并对天线罩所使用的频段1 GHz～2.5 GHz 进行了透波性分析，仿真结果见图4。分析知，7、5 和4（mm）厚芳纶板在2.5 GHz 频率下的插损数值为1.72、1.20、0.93（dB）。随着板壁厚度的增加在使用频率1 GHz～2.5 GHz 内芳纶板板插损值也随着增加。

图4 不同厚度的芳纶Ⅲ材料板插入损耗Fig.4 Insert consupmtion of aramid iii material board with different thickness

3.2 芳纶板电性能测试

依据理论推导和仿真分析结果，并结合实际情况选取5 种厚度的标准芳纶板开展插入损耗试验测试。试验参照GJB 7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》的测试和计算方法，并借鉴天线透波性能的测试方法，通过测试在有阻和无阻隔两种不同状态下天线收发性能损耗，确定不同厚度材料标准板的透波性能。测试系统由射频子系统、通信系统、数据分析采集及处理系统等组成［9］，测试系统示意图如图5 所示。透波率测试是分别在有材料阻隔和无材料阻隔的情况下，测出同一发射装置在空间同一距离处辐射产生的电磁场强度，即在准平面波照射下，通过检测信号源辐射经过材料后的接收能量衰减（以dB 表示），计算不同频率下的材料板透波率。

图5 芳纶材料板电气性能试验测试系统Fig.5 Electrical performance test system of aramid material board

通过在指定频率范围内选取不同频点下测试不同厚度试验板的插入损耗值，确定不同厚度芳纶板的透波性能。试验主要针对4 mm～8.5 mm 厚度范围内的新型芳纶Ⅲ型复合纤维材料板进行了测试，由于天线自身辐射图的性质，不同频点对天线增益的影响不完全一致，如图6 所示为试验测试现场。

图6 透波材料板电气性能试验示意图Fig.6 Sketch map of electrical performance test of wave transsive material board

电性能测试数据见下页表3，排除电性能试验的测试误差及加工精度方面的误差，由表3 知，各厚度芳纶Ⅲ纤维板中，4 mm～6 mm 厚度的芳纶板不同频率点处的插入损耗基本处于0.4 dB～0.6 dB 之间，随着板厚的增加材料板电磁波插入损耗逐渐增大，材料透波性能逐渐劣化。插入损耗值小，透波能力强，从测试结果可以看出，天线罩材料厚度越厚对不同频率的电磁波透波性劣化越严重。根据实测数据和理论分析，天线罩壁厚宜取4 mm～6 mm，在卫星导航的各个频段具有较好的综合透波性性能，可满足北斗天线对北斗信号的接收需求。

表3 不同厚度芳纶Ⅲ复合纤维材料板透波性能损耗测试结果（dB）Table 3 Wave transmissivity consumed test results of aramid Ⅲcompound fiber material board with different thickness

4 芳纶Ⅲ纤维增强复合材料板抗弹性能测试

通过理论、仿真及试验分析，测定了不同厚度下芳纶板的透波能力，结论表明越薄的材料板其对电磁信号的阻隔率越小，透波性能越好，但板料越薄其防弹性能会越差。研究设计的天线罩既要有优异的透波性能，满足使用需求，同时还需兼具一定防护性能。结合不同厚度芳纶板的电性能分析，通过试验方式测定了不同厚度芳纶材料板的抗弹性能。试验依据GJB4300-2012《军用防弹衣安全技术性能要求》开展，抗弹试验示意图如图7 所示［10］。

图7 抗弹贯穿试验示意图（GA 950-2011）Fig.7 Sketch map of bullet resistance through the test

试验在常温条件下开展，共测试了4、5、6 mm 3种厚度芳纶Ⅲ样品的V50 破片弹道极限值，经测定3 种板厚的V50 值分别为439 m/s、472 m/s、572 m/s。芳纶板在弹体冲击时，由于纤维材料的变形与断裂、基体的变形与碎裂，以及材料的局部变形与破坏吸收了冲击动能，有效阻止了弹片侵入［11］。经测定6 mm（实测厚度5.84 mm，面密度8.1 kg/m2）芳纶Ⅲ复合板满足GJB4300-2012 规定中Ⅰ级防破片性能（≥531 m/s），试验结果如表4 和下页图8 所示。

图8 6 mm 芳纶板V50 实测结果Fig.8 V50 test results of aramid board of 6 mm

表4 6 mm 芳纶Ⅲ特种复合材料板V50 检测结果Table 4 V50 test results of specific compound material board of aramid iii of 6mm

上述测试结果表明，战场使用环境下，采用6 mm厚度芳纶Ⅲ特种复合材料制作的防弹天线罩，可有效阻止爆炸破片对结构体的侵入。通过对实际成型天线罩V50 测试，实测6 mm 天线罩着靶点可达（测速点，着靶点，标准偏差12.7 m/s，如图9 所示为芳纶Ⅲ天线罩V50 实测结果），6 mm 壁厚天线罩具有一定的抗毁伤能力。

图9 实际成型芳纶Ⅲ天线罩V50 实测结果Fig.9 V50 realmeasuredresultsofradomeofrealformedaramid Ⅲ

5 结论

天线罩的电性能、结构性能和工艺材料有一定的相互关联和制约性。本文基于理论分析、仿真和试验验证等多维技术手段，从新材料应用，综合调优结构的电性能和防弹性能，设计了某新型北斗设备的高性能天线罩，从设计角度提出了一种分析控制天线罩性能的设计方法。通过实机测试，该设计天线罩各项性能指标满足某新研装备的实战化应用需求。