基于多层结构的宽带天线罩设计

基于多层结构的宽带天线罩设计

摘要：天线罩是雷达天线系统的重要组成成分，随着天线工作频段的拓宽，

天线罩也需要具有宽频带的传输特性，这对天线罩的设计工作提出了更高的要求。本文基于多层透波结构实现了宽频带透波天线罩的设计。首先利用等效传输线理

论对多层透波结构的传输特性进行分析，计算出多层透波结构的传输系数公式，

并分析影响多层透波结构的传输特性的设计因素，然后通过三维电磁仿真软件对

多层透波结构进行结构变量优化，仿真设计得到具有宽频带透波特性的多层天线

罩结构，同时具有良好的斜入射稳定性。

关键词：天线罩；宽带；多层结构

中图分类号：TN820 文献标识码：A

1引言

天线在飞机、导弹、射电天文、测控等方面有着广泛的应用，天线罩也随之

快速发展起来。雷达天线罩是一种功能结构件，它不仅要满足结构强度和刚度、

空气动力、耐环境性和其他特殊功能等要求，还要满足电性能要求，需要对原天

线的电性能影响较低[1][2]。随着军事需求的发展，各类武器系统如战机、舰船

的雷达系统需要满足多频段天线的使用，以提高武器系统的通信、制导能力以及

电子设备抗干扰能力，这就需要天线罩具有宽频带特性，工作频段同时覆盖一个

或多个波段[3]，这就给天线罩的优化设计工作提出了更大的挑战。

传统的天线罩设计采用的计算分析方法，包括低频算法（如矩量法（MOM）、有限元法（FEM）），高频算法（如几何光学法（GO）、物理光学法（PO））和

解析方法等。但是上述算法也存在一些缺点，比如低频算法使用全波分析方法来

分析计算，精度高，但计算量大、运算速度慢，高频算法计算精度不高，解析方

法常常公式推导过于繁琐复杂等，这些都不利于在实际工程设计中快速进行天线

罩高性能的优化设计工作。本文基于多层结构进行宽频带透波天线罩的设计，首

先利用等效传输线理对多层透波结构建立等效电路模型来进行传输特性分析，然

后通过三维电磁仿真软件CST 对多层天线罩进行优化计算分析，最终计算得到了宽传输带的多层天线罩结构，同时具有较好的斜入射稳定性。

2 多层透波结构

天线罩罩壁剖面结构形式有多种，主要有单层薄壁、A 夹层、B 夹层、C 夹层以及更多层数天线罩。目前飞行器天线罩为满足高温和高载荷的使用环境，一般采用防热和承载能力较好的单层无机材质作为天线罩设计材料，但是此类单层薄壁天线罩只能在小入射角范围和窄频带内能满足良好透波效果，多用于曲率半径小、频率低于L 波段的天线罩。如图1所示，为单层天线罩结构示意图及传输特性曲线。以常用石英复合材料为例，介电常数εr=3.2，损耗正切角

tanδ=0.008。在0~45°内入射，入射角为0°时垂直极化透波率与水平极化相同，而随入射角增大，水平极化透波率增大，垂直极化透波率减小。整体情况，水平极化透波率大于垂直极化透波率，所以，在天线罩电性能设计中，一般只需考虑垂直极化是否满足要求[4]。

（a ） （b ）

图1 单层天线罩结构示意图及传输特性曲线

单层结构天线罩适用于窄频带天线罩。为了满足天线罩宽频带透波的需求，常用的是采用A 夹层（三层结构）、B 夹层（三层结构）、C 夹层（五层结构）等多层结构进行天线罩设计[4][5]，随着天线罩层数的增加，天线罩的工作频带能够得到拓宽。常用的多层结构A 夹层（三层结构）、B 夹层（三层结构）、C 夹层均为对称结构，如图2所示。A 夹层天线罩和B

夹层天线罩均由三层结构组

合而成，C 夹层天线罩工作频带宽，常用于扩展天线罩工作频带宽，一般由五层结构组合而成。

（a ）A 夹层结构 （a ）B 夹层结构 （b ）C 夹层结构

图2 多层天线罩结构示意图

针对多层天线罩的电性能优化设计问题，传统的分析方法矩量法（MOM ）、有限元法（FEM ）等虽然计算精度较高，但是运算量大，速度较慢，难以高效的对天线罩进行优化分析设计。所以，可以通过引入相应的优化算法，如遗传算法（GA ）进行分析设计[5]，但是优化算法的应用常常需要对相应算法的计算过程和思路有较深入的理解，且应用过程常常比较繁琐。本文采取了一种多层天线罩的简便、快速的优化设计思路，首先通过对多层天线罩结构建立等效电路模型，推导计算出多层天线罩的透波率，分析其透波特性设计规律，然后利用三维电磁仿真软件（CST ）快速优化设计出多层透波结构的各层结构参数，并进行优化仿真计算，得到最终的宽带透波多层天线罩结构，能满足宽频带内高性能透波，且同时具有良好的斜入射稳定性。

3 多层介质层结构等效电路计算分析

对于多层介质结构的天线罩，可以使用等效传输线理论去分析其电磁波传输特性[5]。等效传输线理论使用四端口网络传输理论来计算多层平板的电性能公式，以矩阵级联的形式来计算出多层介质平板的电磁波传输矩阵，并计算得到多层介质板的透射系数，进而得到多层天线罩的透波率。假设为第i

层介质层的

厚度，和分别为第i层介质层的相对介电常数和磁导率，为电磁波入射到天

线罩表面的入射角。

对于N层介质板，可以等效为三级四端口网络，其网络总级联矩阵T可表示为：

（

1）其中表示为第i层介质平板的传输矩阵，可表示为：

（

2）

式（2）中，介质层的传播常数，为第层介质相对自由空间的

特征阻抗，为空气的特征阻抗，“”和“”为双曲正弦和双曲余弦函数，为电磁波从第介质层到第层介质的入射角，为自由空间的电磁波波长。

其中，在水平极化时的等效阻抗和垂直极化时的等效阻抗分别为：

（

3）

（

4）

式中，为自由空间的特征阻抗，为斜入射下电磁波在介质平板中的传输角余弦，。由此可计算得到3层介质层结构的传输系数：