宽带天线罩：提高无线信号接收质量的神器

天线罩是保护天线免受外部环境影响的外壳，它是由天然或人造的电介质材料制成的形状特殊的电磁窗口，用来保护天线或微波系统免受外界的风、雨、雾、潮、沙尘及高温等恶劣环境的影响及破坏。根据其用途不同，有不同的名称，例如，雷达罩、馈源罩、空间滤波器、透明窗、微波墙等，它们的共同特点是都能很好地透过电磁波。天线罩能延长设备寿命，降低维护费用，改善使用环境，提高设备的可靠性，使用天线罩是一项很好的工程措施。从电磁理论的角度看，天线罩壳体还会有反射、吸收、引入相移及口径阻挡、寄生散射等效应，影响天线的方向图、增益、阻抗、极化等特性。天线罩按设备平台的不同，常分为飞行器天线罩和地面及舰载天线罩。飞行器天线罩用于飞机、导弹及航天飞行器，常用单层厚壁罩，以抵挡大的气动压力和高的温度冲击。地面和舰载天线罩用在车载设备、固定地面设备和舰载设备上，常用A 型夹层（三层）、B 型夹层（三层）、C 型夹层 （五层）及多层罩，以改进天线罩的工作带宽和获得更好的透波性能。电子设备上使用的宽带天线罩形状比较多，尤其是弹体或机载情况下更是如此。具体工程中又分为整体天线罩和单个天线罩，一般的机载或舰载设备的一个天线座上往往要安装多副不同频段的天线，并共用一个宽带的天线罩，如0.5～18 GHz 这样宽频段的天线罩。

设计好宽带天线罩不是件容易的事情，天线罩的特性不仅与所有使用的材料有关，还与入射的电磁波的极化、入射角和工作频率等有关。电子对抗设备所使用的天线大多采用斜45°线极化或圆极化天线，以适应各种可能出现的极化波，天线的波束指向角与天线罩构成的入射角为0°～90°，工作频率范围是几个倍频程。想要拓展天线罩的带宽，先来讨论天线罩的功率传输系数。在这里先讨论功率传输系数的计算方法。采用微波网络理论将射线通过介质板的问题转换为传输线问题，再将其等效阻抗分别表示为Z0cos（水平极化）和（垂直极化）。图8.54 所示的这段传输线的特性用一个矩阵Ai来表示。如果是多层介质组成的天线罩，则将天线罩的每一层都用一个矩阵A来表示，多层天线罩的整体特性就可以用矩阵Ai的乘积表示，即

图8.54　电磁波在无损耗介质中的传输

其乘积的最后结果为A11、A12、A21、A22，那么，天线罩的电压传输系数和电压反射系数就可表示为

根据无损耗传输线的矩阵A 表达式，可以得出单层无损耗介质的表达式为

式中　φ——电长度，

　　　d——介质厚度；

　　　λ——工作波长；

　　　ε——介质的介电常数；

　　　θ——电磁波的入射角；

　　　Z/Z0——介质中的阻抗和自由空间中阻抗之比，则

从式（8.156）、式（8.157）中可以看出，在入射角θ=0°的情况下，水平极化和垂直极化时的Z/Z0是相等的，且为。将式 （8.153）简单变换，可以得到功率传输系数为

上述公式虽然都是对于无损耗介质来说的，但对于低损耗和厚度不是非常厚的介质来说，仍是比较准确的。对于厚度为8.79 mm，tan δ=0.014，εr=8.72 的环氧玻璃钢罩，在7.5 GHz、10 GHz 和15 GHz 频率下，入射角θ=0°和30°时，功率传输系数用式（8.158）、式（8.159），结果见表8.8。

表8.8　无损耗情况下的功率传输系数

按同样的计算方法，可以算出在不同参数下的功率传输系数。从计算结果可以看出，只有在天线罩的电厚度为k/4 波长 （k= 0，1，…，n）时，才能得到好的功率传输。此外，除了垂直入射以外，水平极化和垂直极化在相同入射角情况下，功率传输系数存在着大的差异，下面讨论几种宽带天线罩。

（1）单层薄壁罩壁的电气厚度小于0.05个波长。这种形式的天线罩一般有两种：一种是单层充气天线罩；另一种是有金属桁架的薄蒙皮天线罩。这两种天线罩对天线性能影响小，透波率比较高，工作带宽很宽。由功率传输系数式 （8.158）和式 （8.159）可以看出，当天线罩的电厚度小于λ/20 时，就显示出对电磁波的高传输效率。表8.9 为考虑tan δ 后的功率传输系数。表8.10 为电厚度小于λ/20、ε=4 的薄壁罩功率传输系数的最小值。

表8.9　考虑tan δ 后的功率传输系数

表8.10　功率传输系数最小值

从计算结果可以看出，在入射角不大的情况下，单层薄壁罩可以得到宽频带的传输性能。因此，在研制天线罩时，如果结构允许，就应尽量选用薄壁天线罩，它不但质量小，而且能获得宽频带传输性能。图8.55 所示为一个弧形馈源罩测试结果，罩的壁厚为0.5 mm。

图8.55　圆弧薄壁罩的测试结果

（2）单独的一块泡沫外壳，在电气上仍是一个单壁天线罩。介电常数极低的刚性泡沫天线罩，例如，其密度仅为0.06～0.16 g/cm3，在舰载设备上，曾得到较好的使用。但发泡技术要相当好，才能满足电气和结构强度的要求。由式（8.158）或式（8.159）可以得出在垂直入射 （θ=0°）的情况下，功率传输系数的最小值周期性地出现在φ=（n +1/2）π，于是得

从式（8.160）可以看出，对于垂直入射和无损耗材料，最小功率传输系数与壁厚无关，而仅与相对介电常数有关。这意味着，如果相对介电常数足够低，天线罩就可以采用很厚的壁。另外，由于式 （8.160）中的功率传输最小值与频率无关，所以，泡沫罩具有宽频带传输性能。实际上，泡沫材料并不是无损耗的，只不过它的tan δ 很小，因此，介质本身的损耗是很小的。如ε=1.2，tan δ=0.003 的泡沫，每一波长厚度损耗为3%，并且在大入射角的情况下，低介电常数的泡沫单层仍然显出它的宽频带特性。(www.xing528.com)

（3）夹层天线罩通常是夹层由两个高密度、高强度的表皮和一个低密度、低强度的芯子组成的。采用前面所述的级联传输线法的计算结果表明，要得到零功率反射系数，必须调整两个表皮之间的间隔来达到反相，以使两个反相抵消。这种夹层罩虽然只有在一个窄的频段上具有最佳特性，但是，对于电子对抗用的超宽带天线罩来说，如果设计得当，能够在所需带宽范围内获得90%以上的透波性能。

由薄蒙皮和极低介电常数芯子 （蜂窝芯子、刚性泡沫芯子）组成多夹层天线罩。芯层提供足够的机械强度和低的插入损耗，多个蒙皮层利用波的多次反射的相消原理，以降低罩的反射损耗，从而达到改进罩的性能的目的。众所周知，天线罩的功率反射系数与功率透过系数有一个能量守恒的简单关系式|T|2 + |R|2=1。故当减小时，就会得到提升。工程中最常用的就是这种A 型（三层）夹层罩，蒙皮层为环氧玻璃布，夹在中间的芯层为6～8 mm 厚的蜂窝材料 （环氧蜂窝或瓦伦蜂窝）。它一般可工作在0.8～18 GHz频段范围，其功率透过系数可达70%～90%。当天线罩为平面罩时，还有更好的性能。由两个A 型夹层构成的C 型夹层，它的优点是在较大入射角情况下，能得到比较好的传输。其获得方法有两种：用两个最佳的A型夹层背靠背放在一起，或者使组成的两个A 型夹层的反射互相抵消，表层和心层分别采用玻璃钢和蜂窝形状玻璃钢，只要设计得当，同样可以得到宽带传输特性。

（4）在介质加入一定金属物可以增加带宽。这是因为小于1/4 波长厚的介质板的有效导纳为电容，它可以由金属栅进行补偿。由图8.54 可知，Z0为自由空间的阻抗，Z 为介质板中的阻抗，于是用输入阻抗的公式可以得到空气和介质交界的面归一化电纳为

式中　θ——入射角；

　　　d——介质板厚度；

　　　λ——工作波长。

而嵌入介质的平行金属线在电场与金属线平行并垂直于入射平面的情况下，这金属栅的电纳为

式中　P——金属线之间的距离；

　　　D——金属线的直径；

　　　θ——入射角。

对于水平极化，用ε-sin2θ 代替式中的ε +2sin2θ，用这种方法可以获得天线罩的宽带特性。这是因为介质板的电纳和金属栅的电纳在两个频率点上可以获得相消的效果，在4 ∶1的带宽范围内获得了较低的传输损耗。

天线罩除了透波外，同时产生交叉极化，使得那些需要纯极化的系统性能降低，例如，频率复用卫星等。另外，还可能使圆极化天线的轴比变坏，考虑有一个线极化波E，它以I 角入射到介质平面上。其极化角为θ，垂直极化分量为Esin θ，水平极化分量为Ecos θ。通过介质后，就产生了一个幅度为T⊥Esin θ、相位为φ2的垂直极化分量，以及一个幅度为T∥Ecos θ、相位为φ1的水平极化分量，其中T 和φ 是传输系数的幅度和相位。这两个极化分量又可以分别把它们分解为主平面分量和交叉平面分量。

主平面分量之和为

交叉平面分量之和为

于是就得到了交叉极化比为

式中　K——传输系数在垂直和水平极化情况下的幅度比；

　　　φ1-φ2——对于某一特定入射角i，水平极化与垂直极化情况下的相位差。

对于圆极化天线，可以把其圆极化看作这样两个线极化：Ecos ωt （平行于入射平面的极化）和Esin ωt （垂直于入射平面的极化）。通过介质以后，就分别变为这样两个量，即

然后分别再把它们分解为左圆和右圆极化分量，幅度为A 和B，最后便得到交叉极化和主极化比为

交叉极化的降低主要取决于天线罩的几何形状，从式 （8.165）和式（8.166）中可以看出，只有当φ1-φ2=0 时，K=1 的情况下，才不会产生交叉极化。但是，除了垂直入射以外，一般不会有φ1- φ2=0，K=1 的情况发生。因此，在设计天线罩的几何形状时，在条件允许的情况下，应尽量做到使射线垂直入射。一般平板罩在大入射角的情况下，交叉极化是比较大的，圆柱形天线罩在大入射角情况下，交叉极化也大。对于球形罩、锥形罩，如果天线安装在罩的轴线上，交叉极化是比较小的。但在偏轴线的情况，它的性能比平板罩更差。针对实际中的具体情况，特别是电子战中使用的单个天线口径相对小，其增益不高，往往它作为独立安装时天线罩形状并非平面且天线与天线罩相距变很近。为了保证其宽带特性，设计中将天线罩看成是天线的一部分，常用薄形强度好的材料。而对于带机械扫描的系统，为了制造上的方便及确定主辐射区的高性能，将好的透波区域对应于辐射波束与天线一起同步转动。局部宽带天线罩的思路，天线罩一方面作为电磁窗口；另一方面是为了保护罩内的设备，必须有相当的结构和强度要求。要把整个天线罩的结构强度和电气性能都做好，既费事又费力。因此，提出了将有辐射口的地方开成很好的透波窗或者专门制作天线罩与大的罩子进行复合封装，以保证其正常性能的发挥。

对于快速飞行体，由于它的飞行速度、几何尺寸和安装空间都有严格的限制，因此，给天线阵列的研制提出了严格的要求，给设计也带来了极大的困难。天线阵列分为天线阵和天线罩，它包括圆极化阵元天线及馈电线、天线罩、天线阵座架和吸波材料。我们知道，导引头天线罩首先有较高的飞行条件要求，另外，对天线罩还有极高的电气要求，即具有宽频带、大角度、相位畸变小、等幅度、高透波率等特点。此类天线罩研制难度很大，通常可供天线罩使用的材料有几种选择，如环氧树脂薄壁罩、聚四氟乙烯罩、蜂窝玻璃钢罩、方纶纤维等。通过以上几种材料天线罩性能试验表明，第一种材料的天线罩当壁厚小于0.5 mm 后，对天线的性能影响才较小，但飞机的飞行速度为500 km/h 时，巨大的空气压力又不允许将天线罩的壁厚设计得过小，所以，此方式不可取。第二种为聚四氟乙烯罩，我们知道聚四氟乙烯是常用的非金属材料中介电常数较小的，无法制成起支撑防护作用的天线罩，也不能制成导引头天线罩。第三种材料的天线罩结构强度最好，透波率也高。对一般的天线是首选的罩型，广泛用于海、陆、空的电子战设备上，但这种天线罩壁厚一般为5～6 mm，尺寸较大。且电气性能较聚四氟乙烯罩差些，无法满足导引头对体积、质量安装及电气指标的要求。根据以上的情况设计一种复合型天线罩，该罩型的设计思路是着眼于目前加工能力，利用环氧玻璃钢质量小、强度好，又兼顾聚四氟乙烯罩电气性能比较好的思路，将两者较好地结合起来，从而最大限度地发挥出天线的电气性能。

图8.56 所示是应用两组相互正交的干涉仪测向天线阵的天线罩，每组三个不等间距分布的宽带缩比螺旋天线分布在一球形曲面上。为了在有限尺寸范围内完成宽带的测向定位，几个天线的最大指向不同方向，产生比幅、比相的复合测向，这就要求天线加装天线罩后，宽角相位误差控制在10°左右，天线的口径尺寸为φ40～φ60 mm。将2 mm 厚环氧玻璃钢设计成聚四氟乙烯罩的支撑体，使最终罩体满足导引头飞行条件要求。再设计一个小型聚四氟乙烯天线罩反扣在天线上，在天线面与聚四氟乙烯罩之间加入泡沫支撑，以增强聚四氟乙烯罩的抗风能力。聚四氟乙烯罩与环氧树脂薄壁罩用孔及法兰盘定位，防止脱落，体现了聚四氟乙烯罩电气性能最佳的优点。通过上述工作较好地解决了天线系统对天线罩的严格要求，不但结构强度好，而且透波率好，适合于共形设计和安装。

图8.56　复合型天线罩

（a）内部结构简图；（b）外部示意图