基于復(fù)合材料的雷達(dá)天線罩設(shè)計(jì)

錢俊輝 卿海

摘 要：基于對天線陣列進(jìn)行相關(guān)保護(hù)，以及盡量減緩對天線陣列的方向圖、增益的影響，穩(wěn)重提出以復(fù)合材料為基礎(chǔ)的天線罩設(shè)計(jì)。在A夾層架構(gòu)基礎(chǔ)上，將芯層設(shè)計(jì)成蜂窩周期性的構(gòu)造，并通過對等效電磁參數(shù)研究實(shí)現(xiàn)介質(zhì)材料的介電常數(shù)的規(guī)律性改變，進(jìn)而對天線罩的透射系數(shù)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。在進(jìn)行雷達(dá)天線罩電磁性能改進(jìn)時(shí)候，將遺傳算法和等效傳輸線理論相結(jié)合來得到使蜂窩介質(zhì)平板的透波性能最優(yōu)的介電常數(shù)，從而提升天線罩整體功能。利用仿真實(shí)驗(yàn)對提出的方法進(jìn)行測試，仿真結(jié)果證明了此方法可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;天線罩;蜂窩周期性結(jié)構(gòu);遺傳算法;雷達(dá)

隨著我國國防事業(yè)的不斷進(jìn)步，各個(gè)國家開始了對不同規(guī)模的相控陣?yán)走_(dá)的研究。由于其含有波束指向靈活的特點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在沒有慣性的情況下進(jìn)行掃描的有點(diǎn)，并且快速成為了提升防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能有力武器[1]。為了避免風(fēng)、雨、雷電等惡劣天氣對相控陣?yán)走_(dá)天線陣列的影響，對于天線罩的研發(fā)受到了廣泛的關(guān)注，并將其應(yīng)用在對其他天線進(jìn)行保護(hù)方面。

1基于復(fù)合材料的雷達(dá)天線罩

對于天線罩的安裝，是將其安裝在天線陣列外側(cè)，進(jìn)而可以有效的對硬件結(jié)構(gòu)起到保護(hù)的作用。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中常常會用到電磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等不同的科目。為了可以使力學(xué)和熱學(xué)在各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)上與平面雷達(dá)天線陣列共形，本文通過使用復(fù)合材料、多層的平板結(jié)構(gòu)對天線罩進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)，在橫截面使用了A夾層結(jié)構(gòu)方式，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對于A夾層結(jié)構(gòu)來說，其包括了兩層蒙皮、兩層膠層和一層芯層。圖中顏色較深部分主要是由介質(zhì)材料中介電常數(shù)的數(shù)值較高所引起的，而顏色較淺的是由于介電常數(shù)的數(shù)值較低所引起的。而中間白色部分就是不同介質(zhì)材料之間粘結(jié)的膠層。一般來說，外層所使用的是質(zhì)量較好的高介電常數(shù)蒙皮，在進(jìn)行材料選擇時(shí)，選用了線膨脹系數(shù)低、在高溫度中穩(wěn)定性較強(qiáng)、介電性能較好，進(jìn)而可以制造出質(zhì)量、性能較好的氰酸酯基石英纖維復(fù)合材料以及泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)的芯層。

2天線罩輻射性能優(yōu)化

對于天線罩輻射、散射和透波特性來說，其是受到自身的架構(gòu)、材料和身處的環(huán)境影響。在進(jìn)行天線罩加工過程中，電磁性能可能會出現(xiàn)差異性，所以要對自身進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化 進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。對復(fù)合材料的天線罩進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化主要是通過遺傳算法，然后使用目標(biāo)函數(shù)、約束條件等不同的方面對復(fù)合材料雷達(dá)天線罩的電磁性能進(jìn)行詳細(xì)分析。為了可以讓雷達(dá)天線罩的透射系數(shù)盡可能地好，需要在保證蒙皮厚度情形下，對蜂窩結(jié)構(gòu)的大小進(jìn)行改善，從而得到正常的蜂窩結(jié)構(gòu)的。這一節(jié)主要通過遺傳算法當(dāng)做雷達(dá)天線罩投射性能的主要算法，然后通過等效傳輸線理論進(jìn)而對蜂窩介質(zhì)平板的透波相關(guān)性能進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行改善的過程當(dāng)中，一個(gè)良好的適應(yīng)度函數(shù)對改善的結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。

進(jìn)行改善的過程如下：

（1）要確定天線罩的改善目標(biāo)、約束條件、設(shè)計(jì)變量。在使用遺傳算法時(shí)要對其參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定然后通過隨機(jī)的方式產(chǎn)生初始的種群;

（2）要對天線罩的相關(guān)架構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格離散華，進(jìn)而構(gòu)建起有限元模型以及入射角范圍;

（3）對初始種群所包含的每一個(gè)個(gè)體進(jìn)行相關(guān)的記錄，并通過有效傳輸線理論協(xié)助進(jìn)而得到雷達(dá)天線罩平板的透波系數(shù)大小;

（4）在初始種群中在不同的度數(shù)值搜索最好的個(gè)體，然后記錄下來;

（5）在進(jìn)化的過程中，要對種群進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作，然后讓其生成新的種群然后返回到步驟（3），如此進(jìn)行循環(huán)，直到最終設(shè)定的次數(shù)為止;

（6）最后要把各個(gè)參數(shù)進(jìn)行記錄，然后利用等不同的平臺進(jìn)行相關(guān)考證。在上述過程中，種群所有的個(gè)體都要進(jìn)行適應(yīng)度的相關(guān)計(jì)算。所得出的數(shù)據(jù)與個(gè)體電磁性能、熱學(xué)和力 學(xué)性能相關(guān)聯(lián)，然后將數(shù)據(jù)輸送到軟件中進(jìn)行處理，進(jìn)而增強(qiáng)天線罩整體的改善速度。

3仿真驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

基于上面的所述的思想，進(jìn)而驗(yàn)證其的可行性。選用電磁仿真三維設(shè)備對介質(zhì)平板透波性進(jìn)行相關(guān)性能仿真。對于外蒙皮的材料選擇氰酸酯基石英纖維復(fù)合材料，主要是由于其質(zhì)地好、膨脹系數(shù)低、穩(wěn)定輕強(qiáng)、易于加工等特點(diǎn)。在進(jìn)行芯層蜂窩周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要選擇環(huán)氧復(fù)合材料，然后通過改善，此材料的相對介電常數(shù)為。圖2展現(xiàn)出雷達(dá)平板天線罩芯層蜂窩結(jié)構(gòu)的和幅度與相位隨頻率之間的變化趨勢。由圖可以看出S11和S12幅度跟隨頻率的增加而降低，但是相位卻與之相反。

不斷地對蜂窩單元的參數(shù)進(jìn)行改變，進(jìn)而將整體的介電常數(shù)也隨著改變，與此同時(shí)，介質(zhì)的等效介電常數(shù)可以通過 S11和S12兩者計(jì)算得出。資料顯示，雷達(dá)平板天線罩蜂窩結(jié)構(gòu)等效介電常數(shù)會隨著頻率的變化而變化，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即等效介電常數(shù)增加時(shí)，頻率則呈逐漸減低趨勢，之后變化的幅度越來越小。

天線罩的有和沒有對整體的天線 S11幅度和增益都產(chǎn)生了重大影響，即：天線罩存在時(shí)，對于天線 S11幅度和增益是存在一定消耗的，進(jìn)而讓天線電磁本身所含有的性能逐漸向低頻發(fā)展。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是由于本文中天線罩對于天線輻射的電磁波進(jìn)行了反射，進(jìn)而與天線產(chǎn)生了耦合。最后也是最重要的一點(diǎn)，本文進(jìn)行設(shè)計(jì)的天線罩通過相關(guān)的性能測試發(fā)現(xiàn)與總體的趨勢相吻合，進(jìn)而可以說明天線罩對于天線的影響是微乎其微的。

結(jié)論：

本文主要是通過使用復(fù)合材料進(jìn)行天線罩設(shè)計(jì)。其平板的天線罩使用了A夾層結(jié)構(gòu)，將酯基石英纖維復(fù)合材料當(dāng)做蒙皮材料，然后芯層使用的是泡沫蜂窩結(jié)構(gòu)。經(jīng)過等效電磁參數(shù)可以對介質(zhì)材料中介電常數(shù)進(jìn)行改變，進(jìn)而對天線罩的透射系數(shù)加以控制。另外，通過使用遺傳算法完善了天線罩輻射所具有的相關(guān)性能。從最終的測試結(jié)果來看，本文所描述的天線罩經(jīng)過改善之后對天線罩電磁性能起到了完善的作用，從而其可以被真實(shí)用于天線罩的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。

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