某型飛機(jī)天線罩雙波段寬頻結(jié)構(gòu)設(shè)計

曾安民

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

天線罩是保護(hù)飛行器導(dǎo)引頭天線在惡劣環(huán)境中能正常工作的功能結(jié)構(gòu)，其性能直接影響飛行器雷達(dá)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求[1-2]。Mackenzie等設(shè)計了一種A夾層對稱雙波段天線罩罩體結(jié)構(gòu)。該天線罩最外層為抗雨蝕涂層，芯層為抗高溫塑料泡沫材料（比如PMA、PVC等），次外層則為石英纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。該結(jié)構(gòu)的芯層為塑料泡沫材料，所以，其介電性能近似于自由空間。利用半波長理論，其外層蒙皮厚度在94 GHz滿足這一要求，即蒙皮厚度為0.8 mm，設(shè)計其外層蒙皮厚度為0.8 mm，由半波長理論可知，此時電磁波可以無損耗地透過該媒質(zhì)層。同時，該厚度也為9.4 GHz電磁波波長的1/20，滿足介質(zhì)薄壁理論，能夠在該頻段提供良好的傳輸性能。因此，該結(jié)構(gòu)能同時滿足W波段和X波段共同使用要求，并已經(jīng)用于Boeing727/737/747中。試驗測試表明，對于X波段的氣象雷達(dá)，掃描角在0°～90°范圍內(nèi)，天線罩的功率透過系數(shù)‖T‖2≥88%；而對于W頻段的成像雷達(dá)，衰減則處于1.4～3.5 dB之間[3]。本文針對雙波段透波特點，著重研究了天線罩罩壁結(jié)構(gòu)類型和厚度變化對寬頻帶透波性能的影響，以實現(xiàn)罩壁結(jié)構(gòu)的雙波段寬頻設(shè)計。

1 理論分析

平面波介質(zhì)平板的傳輸和反射取決于介質(zhì)平板的厚度、層數(shù)、介電常數(shù)和損耗角正切，并與平面波的入射角、極化狀態(tài)有關(guān)。為了方便計算，本文采用物理概念明晰的邊界值矩陣傳輸法來分析多層介質(zhì)平板的傳輸和反射特性，具體表現(xiàn)形式如下[4-5]：

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為降低問題的復(fù)雜度，我們只考慮在垂直入射的情況下選用經(jīng)典夾層結(jié)構(gòu)形式，奇數(shù)層和偶數(shù)層均選用常規(guī)CFRP材料，奇數(shù)層的復(fù)介電常數(shù)為3.4-0.0136j，偶數(shù)層的復(fù)介電常數(shù)為1.05-0.0021j，優(yōu)化的最小傳輸功率性能大于80%.

夾層結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加能夠提高整體結(jié)構(gòu)的寬頻透波性和力學(xué)性能。但隨著結(jié)構(gòu)總層數(shù)的增加，高介電層層厚度也會增加，必定會降低結(jié)構(gòu)的總體透波性能，所以，層數(shù)的選擇是一個復(fù)雜的問題，需要綜合考慮寬頻性能和透波性能。

圖1計算了3，5，7層結(jié)構(gòu)在1～100 GHz范圍內(nèi)對應(yīng)的透波性能，只有當(dāng)n＝5時，才能兼顧寬頻透波和足夠高的透波系數(shù)的特點，使其既能夠擁有最大通頻段，又具有滿足最小功率透過系數(shù)為80%的要求。

考慮到總體結(jié)構(gòu)需要一定的承載性能要求，所以，該結(jié)構(gòu)的總厚度設(shè)定必須大于6 mm。圖2列出了結(jié)構(gòu)總厚度從6 mm到10 mm的變化，結(jié)構(gòu)在1～100 GHz范圍內(nèi)的功率透波性能。從圖2中可以很清晰地看出，該結(jié)構(gòu)在總厚度為6 mm時具有最寬的寬頻帶透波性能。

對于典型的C夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間層的電納通常為外層電納的2倍。考慮到電磁波傳輸中存在的入射波和反射波抵消的現(xiàn)象，其芯層厚度常選為電磁波在該材料中傳輸?shù)?/4波長。我們對4種不同C夾層結(jié)構(gòu)電磁傳輸性能進(jìn)行對比，其模型如圖3所示。（a）結(jié)構(gòu)即為本文中的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，（b）結(jié)構(gòu)的奇數(shù)中間層的厚度為（a）結(jié)構(gòu)中間層厚度的2倍，（c）結(jié)構(gòu)奇數(shù)層厚度一致，但是，中間芯層的厚度為1/4波長，（d）結(jié)構(gòu)則是（b）結(jié)構(gòu)和（c）結(jié)構(gòu)特征的集合體，其中間層厚度為蒙皮厚度的2倍，同時，中間芯層的厚度滿足傳輸電磁波的1/4波長。圖4為4種結(jié)構(gòu)在1～100 GHz范圍內(nèi)的透波率性能，比較可知，文中優(yōu)化的結(jié)構(gòu)性能在滿足功率透過系數(shù)大于80%的前提下，其寬頻度最優(yōu)，且具備極佳的傳輸透波率。

3 結(jié)論

通過對天線罩罩壁類型、厚度和層數(shù)的優(yōu)化，在1～100 GHz范圍內(nèi)，雙波段寬頻性能提升了23%.文中的優(yōu)化方法適用于大部分飛機(jī)雙波段寬頻設(shè)計，為天線罩的雙波段寬頻設(shè)計提供了參考依據(jù)。

［1］杜耀惟.天線罩電信設(shè)計方法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1993.

［2］李義，葉宏軍，翟全勝.縱橫加筋碳纖維復(fù)合材料壁板整體成型技術(shù)研究［J］.科技與創(chuàng)新，2018（4）：46-48.

［3］Mackenzie S B，Stressing D W.W-band and X-band radome wall：US，6028565［P］.2000-02-22.

［4］Collin R E，Chang H.Field theory of guided waves［M］.New York：McGraw-Hill，1961.

［5］Orfanidis S J.Electromagnetic waves and antennas［D］.NJ：Rutgers University，2009.