王 超，顾叶青，王 晨

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

雷达天线罩结构设计方法的研究进展与展望

王 超，顾叶青，王 晨

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中以舰载及地面雷达常用天线罩为研究对象，对其结构形式及设计方法进行了概述。首先介绍了天线罩的功能和分类以及电讯设计基础等基本知识；然后详细介绍了天线罩的结构形式、材料选择、载荷形式、工艺方法等结构设计中需要重点关注的内容,并详细研究了典型波段天线罩壁厚的设计方法；接着介绍了几种应用相对较少但有广泛需求的新型天线罩；最后简单探讨了天线罩的发展趋势。

天线罩；结构设计；新型天线罩；发展趋势

引 言

天线罩一般安装在天线前面，使天线免受自然界中暴雨、强风、冰雪、沙尘、太阳辐射、盐雾等的侵袭，又是天线电磁波接收、发射的电磁窗口。因此，它是降低或消除外部环境对天线的影响且具有良好透波性能的结构功能件。由此可见，天线罩的设计需综合考虑结构形式、罩壁厚度、材料选择、工艺方法及电讯性能等多种要求。本文旨在通过介绍和探讨天线罩的基本设计方法，为相关研究和设计工作提供参考。文中首先介绍了天线罩的基本分类方法，使读者对天线罩的结构形式有较清晰的认识；然后进一步介绍了天线罩的电讯设计基础知识，明确天线罩设计中需注意的电性能要求；接着详细讨论了天线罩结构设计中需要重点考虑的结构形式、罩壁厚度、材料选择、工艺方法等关键技术问题；最后重点探讨了几种目前应用较少但有广泛需求的新型天线罩结构及各自的技术难点，并对天线罩的发展趋势进行了展望。

1 天线罩的基本分类

天线罩的主要分类方法有：1)从使用方面可将其分为航空型、地面型及舰载型3大类。2)从电性能方面可根据天线辐射波的入射角分为垂直入射天线罩和大入射角天线罩。辐射波射线与罩壁法线的夹角为入射角，入射角小于30°的称为垂直入射天线罩。如入射角的变化范围较大(从0°变到75°以上)，则称为大入射角天线罩。3)根据天线罩的外形可分为平板罩、微拱(或拱形罩)和球罩(如图1所示)。充气天线罩是一种较为特殊的球罩形式。4)按天线罩壁横截面的形式可将天线罩分为实心壁结构、A夹层结构[1]和C夹层结构(如图2所示)。这3种天线罩壁结构形式的特点见表1。这种分类方法目前应用较为广泛。

图1 球形罩

图2 天线罩的主要截面形状

表1 各天线罩壁结构的特点

2 天线罩的电讯设计基础

结构设计人员需要了解天线的工作频率、工作带宽、扫描角度、透波率等指标要求，而天线罩电讯设计师主要关心各材料的介电常数和损耗正切角这2个参数。

2.1 工作频率

相控阵雷达的工作频率主要集中在P、L、S、C、X和毫米波波段。一般而言，频段越低，天线罩就越厚，频段越高，天线罩就越薄。天线罩的厚度一般在天线罩工作频率的1/4波长左右，低频段天线罩的壁厚也可取在波长的1/10以下。低频段天线罩对制造公差(主要是厚度公差)的要求相对较低，高频段天线罩对制造公差的要求较高。

2.2 工作带宽

天线的电讯参数一般都与工作频率有关，应保证电讯参数相关指标的频率变化范围，即天线的工作频率宽度。一般全向天线的工作带宽能达到工作频率范围的3%～5%，定向天线的工作带宽能达到工作频率范围的5%～10%。天线的工作带宽决定了天线罩的结构形式，窄带天线可选用单层结构形式，宽带天线可设计成A夹层形式，超宽带天线可设计成C夹层形式。

2.3 扫描角度

如图3所示，天线扫描角度θ1指的是电磁波射线与入射点法线方向的夹角；入射角θ指的是天线扫描后的电磁波射线与天线法向的夹角。当入射角不大于45°时，天线罩相对容易设计；如果入射角大于45°，天线罩的透波率和带宽会降低，进而会增加天线罩的设计难度。因此，在设计天线罩外形时，需考虑入射角对天线罩电性能的影响，进而确定合适的天线罩截面形式、外部形状及壁厚。

图3 扫描角与入射角的示意图

2.4 透波率和副瓣电平

对于天线罩电性能而言，透波率和副瓣电平是2个重要的指标。透波率指的是电磁波通过天线罩的损耗，是一个统计平均值；副瓣电平指副瓣的最大功率值与主瓣的最大功率值之比，设计天线罩时一般关注的副瓣电平抬高是指天线的第1副瓣相对于天线方向图的电平抬高指数。这2个指标主要受天线罩材料的电性能参数和壁厚的影响。

3 天线罩的结构设计方法

3.1 结构形式

如图4所示，天线罩结构形式的选择主要考虑电性能、承载性能、环境适应性、用途和阵面结构的维修性等。

图4 天线罩结构形式的选择

3.2 材料选择

3.2.1 天线罩蒙皮材料

天线罩一般选用玻璃布/环氧树脂基的蒙皮材料，这种材料的力学性能主要取决于玻璃原丝的性能和织布的经纬向密度。树脂含量对蒙皮材料电性能的影响比较大，但与玻璃布相比，它对蒙皮材料力学性能的影响不是很大。因此，蒙皮材料的性能主要取决于玻璃布的性能和树脂含量，一般要求蒙皮材料的树脂含量在35%～44%之间。天线罩上常用的蒙皮材料主要有以下几种：

1)室温成型用蒙皮材料。一般选取无碱玻璃布/环氧树脂(或聚酯树脂)基材料。该种树脂在使用过程中会对人体造成较大的伤害，所以多数单位不使用该体系材料。另外，由于手糊树脂成型方式很难将树脂含量控制均匀，因此这种蒙皮材料适用于低频段天线罩或对电性能要求不高的天线罩。

2)高强玻璃布/中温环氧树脂基材料体系。这种材料的固化温度为120 ℃，比较具有代表性的材料体系有SW280/3218、SW220/3218及SW110/3218。

3)石英玻璃布/氰酸酯基材料体系。这种材料体系的主要优点是介电常数低，损耗低，主要用于对电性能要求较高的X波段以上的天线罩。但其固化温度较高(190 ℃)，对相应材料体系的温度要求比较高，材料自粘性较差，工艺性不好，材料强度低于高强玻璃布/中温环氧树脂，且价格较贵。这种典型的材料体系有QW110/氰酸酯树脂。

3.2.2 天线罩芯层材料

天线罩所用芯层材料一般有蜂窝和泡沫2种。蜂窝一般选用Nomex纸蜂窝/酚醛树脂，还有应用相对较少的玻璃布蜂窝、塑料蜂窝等。室温成型可以选用聚氨酯泡沫[2]、聚苯乙烯泡沫、PET泡沫等，这几种泡沫的耐温性约为80 ℃；中温或高温成型的天线罩可选用PMI泡沫，还可根据需要选用不同密度和耐温性的PMI泡沫。

3.2.3 胶膜材料

室温固化天线罩不需要胶膜，只有中温或高温固化天线罩需要在每处蒙皮和芯层之间增加一层胶膜。胶膜的作用主要是粘接蒙皮和蜂窝，填补蒙皮和蜂窝之间的间隙。FM73M是应用较广泛的中温固化胶膜。

3.3 载荷形式

3.3.1 地面天线罩

一般地面用天线罩载荷的演化公式为：

(1)

式中：ρ为空气密度，0.125 kg/m3；V为风速，m/s；g为重力加速度，m/s2；α为载荷安全系数；β为阵风因子。

3.3.2 地面球罩

地面球罩的载荷分布如下：

P=q(-1.3+0.180 1sinφcosθ+0.78sin2φ+

(2)

式中：q为常数，可按风速推导；φ和θ为球面坐标系的经度角和纬度角。

3.3.3 舰载天线罩

风载可按地面天线罩计算方法进行求解，但一般对舰载天线罩还会提出风浪拍击的要求，且该载荷一般会高于风载。

3.4 罩壁厚度

这里以车载A夹层(S波段)和地面C夹层(X波段)天线罩为例介绍天线罩壁厚的设计方法。要求天线罩在25 m/s风速下正常工作，32 m/s风速下不破坏。同时为了保证天线罩在工作过程中不与天线单元接触，假设天线罩的变形小于25 mm，且满足强度要求。这里根据多数天线罩的铺层结构对其各层厚度作如下简化：假设A夹层天线罩的内外蒙皮厚度相同且取值范围为0.4～0.8 mm，C夹层天线罩的内外蒙皮厚度相同且是中蒙皮厚度的2倍，内外2层Nomex蜂窝的厚度相同。基于以上简化可分析得到满足刚强度性能要求的2种天线罩的最小壁厚，表2和表3列出了不同面积的天线罩所需的各夹层最小厚度的3种组合。得到一系列这类表格后，结构设计师可根据电讯设计师的相关指标方便快速地判断电讯指标是否合理，能否满足结构性能要求，并能有效地指导结构方案设计。

表2 不同面积的A夹层(S波段)天线罩的最小蒙皮和芯层厚度组合 mm

注：TM为内外蒙皮厚度，mm；TN为蜂窝厚度，mm；W为天线罩宽度，m。

表3 不同面积的C夹层(X波段)天线罩的最小蒙皮和芯层厚度组合 mm

注：TM为内外蒙皮厚度，mm；TMz为C夹层天线罩中蒙皮厚度，mm；TN为蜂窝厚度，mm；W为天线罩宽度，m。

3.5 后处理

3.5.1 天线罩蒙皮强度校核

一般选用如式(3)所示的蔡-胡准则计算面内强度应力因子：

(3)

3.5.2 天线罩芯层强度校核

对于蜂窝芯，采用最大横向剪应力准则，考虑剪应力YZ和剪应力ZX是否超出强度极限，即:

(4)

分别将剪应力τ13、τ23与τcr进行比较，若剪应力τ13或τ23大于τcr，则天线罩芯层破坏。

还可参考《复合材料手册》中关于蜂窝芯层剪切强度校核的要求:

τ13<[τ13]×0.7
τ23<[τ23]×0.7

(5)

蒙皮和蜂窝芯层间脱层的判据为：

(6)

式中，τ胶为胶的剪切强度值。

3.6 工艺方法

3.6.1 室温固化工艺

天线罩室温固化工艺对模具要求不高，模具可用泡沫模、石膏模、玻璃模、水泥模、树脂模等。在制作天线罩之前，先在天线罩上铺设脱模剂或脱模布，然后按天线罩结构铺设玻璃布和树脂，待每层(如内蒙皮)玻璃布固化后，将固化表面打磨光顺再铺设芯层，待芯层和内层玻璃布粘接完毕后，清理芯层，检查芯层的拼接缝是否粘接良好，再铺设上面的蒙皮，如此反复。

这种工艺一般采用手糊方式，在玻璃布上手刷树脂，一层一层铺贴成型。这种成型方式在低温环境下比较容易实现，原因是树脂在低温下不容易固化，不容易出现边铺设边固化的现象。复合材料固化有一定的收缩率，在制造过程中需考虑收缩率对天线罩形面的影响。

3.6.2 热压罐固化工艺

热压罐成型工艺对天线罩模具要求很高，一般要求模具为金属膜(如铝模、钢模)，最好的模具材料为殷钢模，也有部分天线罩选用复合材料模具，要求复合材料模具的成型温度要高于天线罩制件的温度。常用的A夹层天线罩一般需经过2次固化，而C夹层天线罩则一般需要经过3次固化，现在也有针对这2种天线罩采用1次固化成型的工艺。

热压罐成型工艺可用随炉件的性能来判断天线罩的固化质量。通过随炉件可检查蒙皮材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量、蒙皮铺层的压厚、蒙皮和芯层的滚筒剥离强度，蒙皮和芯层的介电常数和损耗角正切等性能。

4 新型天线罩结构

4.1 充气天线罩

球形薄膜在截口四周用压板固定于气密性的平台上，周围或用绳子拉紧，或用其他方法固定并在内部充气。它的优点是罩壁薄且均匀，电讯性能好，适于宽频带工作，罩体柔软便于折叠，重量轻，体积小，运输、储藏、安装方便等。但是该类型天线罩也有明显的缺点：需要持续向罩内充气，以维持罩子形状和必要的刚性；若充气设备发生故障，会使罩子倒塌甚至损坏天线，因此需要外加自动启动系统并且还需备份；充气罩的成本较高等。

4.2 频率选择表面天线罩

减小飞行器雷达散射截面(RCS)的主要途径是采用低RCS外形设计和雷达吸波涂料技术[3]，但这2种隐身措施不可能简单地在天线隐身中获得应用。因此隐身天线罩技术就成为解决雷达天线隐身问题的主要技术之一。隐身天线罩通常采用的技术包括频率选择表面技术(FSS)、极化选择表面膜技术(PSS)、阻抗加载技术以及时域隐身技术等，而目前国内外应用最广泛的是FSS技术。

FSS天线罩的主要优点有[3-5]：雷达工作频段内信号可以正常传输，工作频段外的入射电磁波被天线罩反射而形成极低的RCS，即利用天线罩的低RCS取代了天线的强RCS特性，达到了外隐身的效果；FSS天线罩的几何外形与飞行器的本体结构贴近，即不改变天线罩的气动外形，满足飞行器动力学要求；不影响原雷达系统的电气特性和天线罩的机械强度，基本上不增加天线罩的重量。当FSS天线罩为曲面时，罩面上不同点处的电场入射角变化较大，应选择对入射角和极化不敏感、稳定性较好的单元，可选择如图5所示的自对称的圆形、圆环、多边形和方环等图形。

图5 频率选择表面天线罩常用单元形状

FSS天线罩制备的关键是如何将FSS层加载到复合材料天线罩上。目前，国内主要采用以下2种方法将FSS层加载到天线罩内：一种是在薄膜基底上进行镀膜、光刻得到柔性FSS膜，然后固化到天线罩上。这种方法是常用的、相对较简单的办法。另一种是通过数字化机械加工的方法来实现。文献[6]研究了复杂频率选择表面加工的五自由度刻铣机器人曲面加工法及其在大型曲面加工上的应用，分析掌握了工艺参数对FSS传输性能的影响，通过建立浮动电主轴技术和曲面分区法大大提高了FSS曲面的加工效率。这种方法目前还未真正实现工程化应用。

目前FSS天线罩还有一些技术难点需要进一步深入研究，如高选择性和高角度稳定的FSS设计、窄带FSS设计、带内低损耗设计、曲面FSS设计以及FSS曲面加工技术等。

美国在2011年宣布研发新型隐形轰炸机，将高度融合并提升第四代战斗机采用的隐身技术，具有“全向、宽频”的FSS天线罩的制备将是其需要重点攻克的技术。所以，从现役飞行器隐身改装和新型隐身飞行器设计的长远观点来看，研究FSS天线罩具有十分重要的意义。

4.3 耐高温天线罩

随着相控阵雷达逐渐向宽频带、高功率等方向发展，某些天线罩所用的材料不但要满足透波要求，还需在高温下保持足够的机械强度和适当的弹性模量，且需具有良好的热冲击性和耐热性等性能。文献[7-8]认为，MW100 /BMP350聚酰亚胺复合材料体系能较好地满足上述性能。BMP-350型树脂是一种新型热固性聚酰亚胺树脂，与环氧树脂、酚醛树脂等传统树脂基体相比，不但介电常数、损耗正切值较低，且耐温性更好，其正常工作温度为350℃，短期使用温度可达400 ℃。M-玻纤MW100具有较高的拉伸模量和拉伸强度，且其电性能与E-玻纤和D-玻纤相近，但比石英玻璃纤维差。因此，在选用增强纤维材料时需综合考虑电性能、力学性能和成本等多种因素。

5 天线罩的发展趋势

天线罩的发展呈现以下几种趋势：

1)天线罩材料正向着良好的介电性能、高力学性能以及良好的三防和工艺性方向发展，可供选择的材料种类将会不断丰富；

2)天线罩的固化工艺逐渐从热压灌固化向着多种固化技术发展(如电子束固化、感应加热固化、低温成型高温后固化等)，进而降低模具成本和制造成本；

3)天线罩的结构形式将不断发展，不但有传统的介质罩还有结构新颖的充气罩等形式；

4)天线罩将不但需满足电性能和结构强度等传统要求，还需满足宽频带、隐身性和低重量等要求[9-10]，未来还可发展出其他功能要求(如与天线单元进行一体化设计等)。

[1] 韦生文. A型夹芯复合材料在地面雷达天线罩中的应用[J]. 电子机械工程, 2006, 22(4): 47-49.

[2] 张京, 梁元军, 桂涛. 高密度聚氨酯泡沫塑料天线罩的研制[J]. 电子机械工程, 2008, 24(5): 36-38.

[3] 鲁戈舞, 张剑, 杨洁颖, 等. 频率选择表面天线罩研究现状与发展趋势[J]. 物理学报, 2013, 62(19): 1-10.

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[6] 吕明云, 祝明, 王焕青, 等. 复杂曲面FSS加工系统研究[J]. 航空学报, 2005, 26(4): 524-527.

[7] 苏震宇, 周洪飞. 天线罩用耐高温复合材料的研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2005(6): 35-37.

[8] 张大海, 黎义, 高文,等. 高温天线罩材料研究进展[J]. 宇航材料工艺, 2001(6): 1-3.

[9] 敖辽辉. 天线罩技术的发展[J]. 电讯技术, 2000(2): 14-15.

[10] 舒卫国, 杨博, 薛向晨, 等. 雷达天线罩技术综述[J]. 高性能复合材料结构制造技术, 2007(S): 37-40.

王 超(1984-)，男，博士，工程师，主要从事大型天线阵面结构设计工作。

Review and Prospect of Design Methods of Antenna Radome Structure

WANG Chao，GU Ye-qing，WANG Chen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The structure style and design methods of the antenna radome used in the ship-borne and ground-based radars are summarized in this paper. Firstly, the function, classification and electrical design are introduced. Then several key technologies of the radome design such as structure style, material selection, load form and manufacturing process are described and the method of choosing the radome thickness in each layer at the typical wave band is researched in detail. After that, some new pattern antenna radomes seldom used at present but widely required in the future are introduced. Finally, the development trend of the antenna radome is discussed briefly.

antenna radome; structure design; new pattern antenna radome; development trend

2015-10-21

TN820.8+1

A

1008-5300(2015)06-0001-05