某型飞机天线罩双波段宽频结构设计

2018-03-16曾安民

科技与创新 2018年5期

曾安民

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300；中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

天线罩是保护飞行器导引头天线在恶劣环境中能正常工作的功能结构，其性能直接影响飞行器雷达技战术指标要求[1-2]。Mackenzie等设计了一种A夹层对称双波段天线罩罩体结构。该天线罩最外层为抗雨蚀涂层，芯层为抗高温塑料泡沫材料（比如PMA、PVC等），次外层则为石英纤维增强环氧树脂。该结构的芯层为塑料泡沫材料，所以，其介电性能近似于自由空间。利用半波长理论，其外层蒙皮厚度在94 GHz满足这一要求，即蒙皮厚度为0.8 mm，设计其外层蒙皮厚度为0.8 mm，由半波长理论可知，此时电磁波可以无损耗地透过该媒质层。同时，该厚度也为9.4 GHz电磁波波长的1/20，满足介质薄壁理论，能够在该频段提供良好的传输性能。因此，该结构能同时满足W波段和X波段共同使用要求，并已经用于Boeing727/737/747中。试验测试表明，对于X波段的气象雷达，扫描角在0°～90°范围内，天线罩的功率透过系数‖T‖2≥88%；而对于W频段的成像雷达，衰减则处于1.4～3.5 dB之间[3]。本文针对双波段透波特点，着重研究了天线罩罩壁结构类型和厚度变化对宽频带透波性能的影响，以实现罩壁结构的双波段宽频设计。

1 理论分析

平面波介质平板的传输和反射取决于介质平板的厚度、层数、介电常数和损耗角正切，并与平面波的入射角、极化状态有关。为了方便计算，本文采用物理概念明晰的边界值矩阵传输法来分析多层介质平板的传输和反射特性，具体表现形式如下[4-5]：

2 结构优化

为降低问题的复杂度，我们只考虑在垂直入射的情况下选用经典夹层结构形式，奇数层和偶数层均选用常规CFRP材料，奇数层的复介电常数为3.4-0.0136j，偶数层的复介电常数为1.05-0.0021j，优化的最小传输功率性能大于80%.

夹层结构层数的增加能够提高整体结构的宽频透波性和力学性能。但随着结构总层数的增加，高介电层层厚度也会增加，必定会降低结构的总体透波性能，所以，层数的选择是一个复杂的问题，需要综合考虑宽频性能和透波性能。

图1计算了3，5，7层结构在1～100 GHz范围内对应的透波性能，只有当n＝5时，才能兼顾宽频透波和足够高的透波系数的特点，使其既能够拥有最大通频段，又具有满足最小功率透过系数为80%的要求。

考虑到总体结构需要一定的承载性能要求，所以，该结构的总厚度设定必须大于6 mm。图2列出了结构总厚度从6 mm到10 mm的变化，结构在1～100 GHz范围内的功率透波性能。从图2中可以很清晰地看出，该结构在总厚度为6 mm时具有最宽的宽频带透波性能。

对于典型的C夹层结构设计，中间层的电纳通常为外层电纳的2倍。考虑到电磁波传输中存在的入射波和反射波抵消的现象，其芯层厚度常选为电磁波在该材料中传输的1/4波长。我们对4种不同C夹层结构电磁传输性能进行对比，其模型如图3所示。（a）结构即为本文中的优化结构尺寸，（b）结构的奇数中间层的厚度为（a）结构中间层厚度的2倍，（c）结构奇数层厚度一致，但是，中间芯层的厚度为1/4波长，（d）结构则是（b）结构和（c）结构特征的集合体，其中间层厚度为蒙皮厚度的2倍，同时，中间芯层的厚度满足传输电磁波的1/4波长。图4为4种结构在1～100 GHz范围内的透波率性能，比较可知，文中优化的结构性能在满足功率透过系数大于80%的前提下，其宽频度最优，且具备极佳的传输透波率。