CN104103898B - 高透波低rcs天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种高透波低RCS天线罩，包括透波夹层结构薄层单元，每层透波夹层结构薄层单元固联于采用碳纤维敷制的金属化法兰围框区域，形成透波窗口，并采用一层一层敷制的方式层叠结构，天线罩透波区域外形采用菱形或类似杏仁核类的流线型外形，并采用安装于低RCS载体平台之上进行仿真或测试，直接对天线罩进行仿真或者测试不能真实反映其RCS水平。本发明通过透波夹层结构薄层单元实现天线罩在天线工作频段及隐身考察频段的高透波特性，结合透波夹层结构薄层单元外形修形及金属化法兰围框，实现天线罩的低雷达散射截面RCS特性，解决了现有的天线罩散射较强的技术难题。本发明可以用于天线的雷达散射截面控制。

Description

高透波低RCS天线罩

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于天线雷达散射截面控制的低RCS天线罩。

背景技术

雷达天线罩是飞行器的重要部件，它是集电气性能、结构强度、气动外形和特殊功能要求于一体的功能结构件。要求在保护雷达的同时，还要保持满足雷达发射接收的全部电性能要求，即对雷达信号的传输要求具有最小的波瓣畸变和功率吸收。雷达目标散射的能量可以表示为一个有效面积和入射功率密度的乘积。这个面积通常称为雷达散射截面(RCS)。RCS表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。天线的散射包括两部分：一部分是与散射天线负载无关的结构项散射，它是由入射平面波在天线上的感应电流或位移电流所产生的散射场，其散射机理与普通散射体的散射机理相同：另一部分则是随天线的负载情况变化的天线模式项散射场，它是由于负载与天线不匹配而反射的功率经天线再辐射而产生的散射场，这是天线作为一个加载散射体而特有的散射。雷达目标反射面积RCS可从电磁散射理论方面进行定义为：目标在单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍。缩减雷达散射截面RCS可降低目标被探测到的几率。入射波波长对雷达散射截面的影响可划分为低频区、谐振区、高频区(光学区)。不同性质、形状和分布的目标，其散射效率是不同的。为确定这一效率，把有效散射面积等效为一个各向同性反射体的截面积，称为目标的雷达截面积，写作σ，对于简单的几何体，如金属圆面、金属矩形面等，其法向雷达散射截面表达式为，σ＝4πA^2/λ^2，式中：A为照射面积，λ为工作波长。低RCS天线罩在雷达散射截面控制方面有着广泛的应用，如共形天线罩，雷达罩等。天线罩是保护天线免受自然环境影响的外壳。它是由天然或人造电介质材料制成的覆盖物，或是由桁架支撑的电介质壳体构成的特殊形状的电磁窗口。天线罩从使用环境、天线精度要求、工作寿命、能源消耗和维护等诸多因素出发全面考虑，论证是否使用并使用何种类天线罩。通常，在雷达天线罩的设计过程中要充分考虑它的电磁窗口作用，让它在雷达的作用频段内有最大的透波率，在有高透波率的同时，而且要有低吸收率。多数人认为结构强度好可以不使用天线罩，但是恶劣的环境仍然会使得天线不能正常工作，为了保证天线的高精度，为天线配置天线罩仍是较为便捷的选择。对于大型精密跟踪雷达，大直径射电天文望远镜及大型相控阵天线，则更是需要配置天线罩。

飞行器上的天线罩在保护天线的同时还兼顾可以改善气动外形的作用。机载天线会大大增加飞行器自身的飞行阻力，同时对天线的结构强度要求过高，从而使机载天线过于笨重，所以飞行器上的天线大多数都是使用天线罩的，即使是共形阵列，也需要与飞行器外形相似的保护罩。

天线罩的种类繁复多样，按照不同的标准有着不同的分类。天线罩按结构形式分类，可以分为空间桁架式和薄壳式两大类。空间桁架天线罩采用自行支撑式结构设计。整个结构由坚固的刚性骨架及能透过电磁波的薄膜或其他多层蒙皮的自承结构构成。支撑骨架采用金属或介质材料。空间桁架式天线罩往往做成大型的地面或舰载天线罩。薄壳式天线罩采用均匀或者近似于各项同性的电介质材料制成一个平滑、被截割的球体或其他形状。

天线罩按照壁横截面分类可以分为均匀单层、变厚度单层、A-夹层、变厚度A-夹层、B-夹层、C-夹层、变厚度C-夹层和多层结构。均匀单层已在很多天线罩中使用，它的材料有玻璃纤维增强塑料、陶瓷、合成橡胶等。单层天线罩又分为薄壁和半波长壁。薄壁是指壁的厚度小于波长的20分之一。半波长壁指壁的最佳电气厚度对应于相应入射角时在介质材料中接近于半波长的倍数。A-夹层由两个比较致密、电气上很薄的蒙皮和一个较厚的低密度芯子组成。A-夹层多用于尺寸较小的飞行器上的鼻锥天线罩或流线型天线罩。B-夹层是其芯子有比蒙皮高的介电常数的三成夹层。C-夹层是一个五层结构。它由外面的两个表皮、一个中心蒙皮和两个中间芯子组成。

降低天线系统的RCS成为目标隐身系统中一个关键的技术课题。由于天线自身需要辐射和接收电磁波，对其散射机理的研究就显得更加困难。国内外已经做了一部分这方面的工作，但是由于这一课题挑战性较强，还有许多难题有待解决。天线罩是天线的重要组成部分，要降低天线系统RCS，必须降低天线罩的RCS。频选天线罩是天线罩实现隐身的一种方式，频选天线罩通过在天线工作频带内实现带通，天线工作频段外实现带阻来达到隐身的目的。频选天线罩的应用可以简单分为两种情况，即频选天线罩的带通频段在隐身考察频段之外与频选天线罩带通频段在隐身考察频段之内。当频选天线罩的带通频段在隐身考察频段之外时，可以根据其天线罩带通频段低于或高于隐身考察频段分别选择低通或者带通及高通频选天线罩实现隐身。当频选天线罩的带通频段与RCS考察频段重合时，频选天线罩只能实现天线工作带外的RCS缩减，同时，在频选天线罩透波率曲线由带通至带阻的过度频段上，由于天线罩与天线罩内部天线及结构件的强耦合，还会造成天线RCS的急剧恶化；此外，频选天线罩低RCS的实现还依赖于天线罩的外形，原因显而易见，频选通过带阻特性，实现频选天线罩类型全金属罩的特性，全金属罩的RCS特性主要依赖于其外形；频选天线罩在实际应用当中，还存在边缘处理困难的问题。频选天线罩在其边缘处如何实现与其邻近的金属表面的完美接合是频选天线罩实现低RCS特性的关键，亦是当前频选天线罩在工程应用中的难点。

除此之外，频率选择表面FSS还有以下难点未能解决：利用频率选择表面达到较宽频带的频率选择特性时，可能需要设计两层、甚至多层的频率选择表面，设计困难；频率选择特性受加工制作精度的影响较大，不易控制；频率选择表面的三维曲面化困难，FSS曲面化时，涉及到曲面上单元的设计，入射波的角度及极化对曲面频率选择表面的影响，很难保证其频率选择特性等等。

天线系统隐身途径要求雷达天线系统只辐射和接收我方雷达波，不反射和散射敌方雷达波。这是一对很难解决的矛盾。目前只能从实际要求出发，在一定的时域、空域和频域范围内，尽量缓和或回避这种矛盾，形成在一定限制条件下的天线系统隐身方案。我国对天线罩的设计仍停留在重点关注天线罩的电性能设计阶段，对低RCS天线罩的设计刚刚起步，距满足工程实际中对低RCS天线罩的需求还有差距。

综上所述,普通天线罩透波性能不好，虽然可以满足电性能要求，但是在RCS考察频段其透波性能不能达到高透波，天线罩自身RCS较差，天线罩与天线罩内结构件耦合散射较强；频选天线罩虽然能够保证天线工作频段外的较好阻带特性，但其对外形依赖较强且频选天线罩边缘处理困难，在实际工程中应用难度较大。

发明内容

本发明的目的是针对当前天线罩的不足之处，提出一种结构简单、易行，透波特性较好，能够减小天线罩与天线及其它内部结构件的相互耦合，具有低RCS特性的天线罩。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种高透波低RCS天线罩，包括透波夹层结构薄层单元和金属化法兰围框，其特征在于：每层透波夹层结构薄层单元固联于采用碳纤维敷制的金属化法兰围框区域，形成透波窗口，并采用一层接一层敷制的方式层叠结构，天线罩透波区域外形采用菱形或类似杏仁核类的流线型外形，并采用安装于低雷达散射截面RCS载体平台之上进行仿真或测试，直接对天线罩进行仿真或者测试不能真实反映其RCS水平。

本发明相比于现有技术具有如下有益结果：

结构简单、易行。本发明采用一层一层敷制的透波夹层结构薄层单元层叠结构构成高透波低RCS天线罩，结构简单、易行。本发明通过透波夹层结构薄层单元实现天线罩在天线工作频段及隐身考察频段的高透波特性，结合透波夹层结构薄层单元外形修形及金属化法兰围框，实现天线罩的低雷达散射截面特性(低RCS特性)，解决了现有的天线罩散射较强的技术难题。

本发明利用透波夹层结构薄层单元实现天线罩在天线工作频段及RCS考察频段的高透波的特性，结合透波夹层结构薄层单元外形修形及金属化法兰围框，缩减天线罩自身的散射的同时，降低天线罩与天线罩内结构件之间的耦合散射，实现天线罩的低RCS特性。对电磁波而言，天线罩对电磁波传播的影响随着透波率提高而减弱，具有全透波特性的天线罩对电磁波的传播没有任何影响，即具有全透波特性的天线罩自身不会产生散射，此时天线罩不受外形限制且具有低RCS特性。实际工程中，天线罩无法达到全透波的性能，但可以通过对夹透波夹层结构薄层单元的设计，提高其透波性能，对天线罩透波区域外形采用菱形或类似杏仁核类的流线型外形，缩减其自身散射的同时缩减天线罩与天线罩内其他结构的耦合散射，同时结合金属法兰结构，对安装螺钉进行遮挡，实现天线罩的低RCS特性。

本发明采用全波分析方法，对透波的夹层天线罩结构进行设计，通过对透波夹层结构薄层单元的三层结构的厚度及电磁参数的调整，使其在天线工作频段及RCS考察频段具有较好的透波特性。天线罩采用安装在低RCS载体平台之上的方式进行RCS仿真或者实测，通过天线罩较好的透波特性，减小天线罩与天线及天线罩内部结构件的相互耦合。透波区域外形则采用对RCS缩减有利的菱形或类似杏仁核类的流线型外形，可进一步缩减天线罩自身引起的散射。采用碳纤维敷制完成的金属化法兰围框，在保证天线罩法兰结构强度的同时，使金属化后的法兰具有类似金属的散射特性，对固定天线罩使用的螺钉进行遮挡。综上，高透波低RCS天线罩采用透波夹层结构薄层单元，并对透波区域外形进行修形，同时采用金属化法兰围框，使得天线罩具有低RCS的特性。

理想状态下,采用透波夹层结构薄层单元的高透波低RCS天线罩对电磁波是完全通透的，此时天线罩的隐身性能不受天线罩外形影响，天线模拟件本身和有中空介质罩存在时天线-天线罩组合体的雷达散射截面相同。实际情况下，夹层对电磁波只能具有较高透波率而不能实现完全透波，此时天线罩的隐身性能一部分来自于天线罩自身外形的散射，一部分来自于天线罩与天线内部结构的耦合影响，此时，只须比较天线模拟件本身和有高透波低RCS天线罩存在时天线-天线罩组合体的雷达散射截面RCS即可获得高透波低RCS天线罩的隐身效果。

本发明与频选天线罩相比，具有设计简单，只需对夹层的透波率及透波区域与金属化法兰围框的外形进行设计，其设计、加工难度较频选天线罩有较大下降，且与频选天线罩相比，其低RCS特性受天线罩外形影响较小。本发明可以用于天线的雷达散射截面控制。

附图说明

图1是本发明高透波低RCS天线罩结构的分解示意图。

图2是本发明透波特性随频率变化的曲线示意图。

图3是本发明随频率变化的RCS曲线示意图。

图中：1透波夹层结构薄层单元，2金属化法兰围框。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的最佳实施例中，低RCS天线罩包括透波夹层结构薄层单元1和透波夹层结构薄层单元外围的金属化法兰围框2。天线罩的低RCS特性通过透波夹层结构薄层单元在RCS考察频段的高透波率，透波夹层结构薄层单元的外形修形及金属化法兰围框共同实现。透波夹层结构薄层单元为一种三层结构，自上而下分别为石英纤维玻璃布、PMI泡沫、石英纤维玻璃布敷制而成的层叠结构。透波夹层结构薄层单元1由不同厚度的石英纤维玻璃布、PMI泡沫、石英纤维玻璃布敷制而成，并由此实现天线罩的高透波率。该透波夹层结构薄层单元是天线工作时的透波窗口，透波夹层结构薄层单元的外形修形及金属化法兰围框，实现天线罩的低RCS特性。金属化法兰围框由碳纤维敷制得到。每层透波夹层结构薄层单元固联于采用碳纤维敷制的金属化法兰围框区域，形成透波窗口，并采用一层一层敷制的方式层叠结构，天线罩透波区域外形采用菱形或类似杏仁核类的流线型外形，并安装在低RCS载体平台之上的方式进行仿真或实测，直接对天线罩进行仿真或者测试不能真实反映其RCS水平。该透波夹层结构薄层单元1经过外形修形，位于低RCS天线罩中间区域，该透波夹层结构薄层单元是天线工作时的透波窗口。金属化法兰围框，位于经过修形的透波夹层结构薄层单元的周围，用于使用螺钉将天线罩固定于使用平台之上时，对螺钉进行遮挡。低RCS天线罩的制作采用一层一层敷制的方式，在低RCS天线罩透波夹层结构薄层单元的敷制过程中，根据设计的透波区域的外形进行透波夹层结构薄层单元的敷制，实现天线罩在天线工作频段及隐身考察频段的高透波特性。在对金属化法兰围框进行敷制时，必须根据设计的金属化法兰围框的外形进行敷制，使得金属化结构法兰具有与金属类似的散射特性，对安装螺钉进行有效遮挡。根据天线工作频段及RCS考察频段所需的透波特性，可针对其厚度、密度、介电常数等特性进行设计、选材，图中所示天线罩厚度为3mm，自上而下分别为0.5mm石英纤维玻璃布、2mmPMI泡沫、0.5mm石英纤维玻璃布。天线罩安装于低RCS载体后，天线罩内为长120mm、宽90mm倒角菱形腔体结构，腔体高度65mm。天线罩外表面为曲面，且沿轴向对称，由中间到两端高度逐渐降低，其高度差36mm。腔内不放置天线，只考虑此腔体加载天线罩的RCS特性。根据散射目标的尺寸与RCS考察频点波长的比例关系，从原理上，简单目标的散射可以分为电磁散射的瑞利区，此时，RCS主要与目标体积有关。随着频率的增加，目标进入电磁散射的谐振区，此时目标RCS表现为振荡趋势。在更高频段，目标进入电磁散射的光学区，此时，目标的RCS值趋于定值。然而，天线罩的散射特性较为复杂，并不能简单的以此划分。简单来讲，更好的透波特性是实现高透波低RCS天线罩的根本，在此基础上，通过对透波夹层结构薄层单元的外形修形及金属法兰结构，共同实现高透波天线罩的低RCS特性。

图2描述了天线罩及低RCS载体俯仰角度为90度，在不同频点、不同极化头向正负45度内RCS均值。由于天线罩安装于低RCS平台之上，直接对天线罩进行仿真或者测试不能真实反映其RCS水平，需要设计低RCS载体，将天线罩安装于低RCS载体之上进行仿真或测试，才能近似得到天线罩在低RCS平台上的真实性能。从图2中可以看出，天线罩水平极化RCS几乎与载体一致，即天线罩水平极化RCS应远好于如图所示结果，受限低RCS载体水平，不能更好的反应天线罩水平极化RCS水平。天线罩垂直极化RCS在10GHz以下时，天线罩RCS与载体RCS较为接近，即天线罩垂直极化RCS应接近或好于该水平，在10GHz以上时，随着频率升高，天线罩垂直极化RCS逐渐变差，但天线罩垂直极化RCS仍小于-35dBsm。

图3描述了天线罩在RCS考察频段1GHz至19GHz内的透波情况，从图中可以看出在RCS考察频段内，天线罩具有非常好的透波率。结合图2给出的RCS曲线与图3给出的透波曲线可知，频率的高低对高透波低RCS天线罩隐身效果的影响较为复杂，主要有以下几点：a)在低频段，此时天线罩具有较好的透波特性，高透波天线罩的RCS与载体的RCS较为一致，即高透波天线罩具有较好的低RCS特性；b)在一定频率范围内，高透波天线罩在相对较低频段的隐身效果更好；c)在入射波频率较高时，虽然高透波天线罩的透波率没有明显变差，但是高透波天线罩的RCS值较载体的RCS值有着一定程度上的恶化，可能的解释是，在高频时，天线罩内的腔体结构的散射变强，天线罩与腔体之间的耦合虽然仍随着天线罩的透波率的变好而减弱，但是由于腔体等结构散射变强，从而导致天线罩的RCS有一定程度上的恶化。

Claims (8)

1.一种高透波低RCS天线罩，包括透波夹层结构薄层单元及金属化法兰围框，其特征在于：所述的透波夹层结构薄层单元的结构为高透波率材质组成的夹层结构薄层，每层透波夹层结构薄层单元固联于采用碳纤维敷制的金属化法兰围框区域，并采用一层接一层敷制的方式层叠结构，形成透波窗口，天线罩透波区域外形采用菱形或类似杏仁核类的流线型外形，并采用安装于低RCS载体平台之上进行仿真或测试，直接对天线罩进行仿真或者测试不能真实反映其RCS水平。

2.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，透波夹层结构薄层单元为一种三层结构，自上而下分别为石英纤维玻璃布、PMI泡沫、石英纤维玻璃布敷制而成的层叠结构。

3.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，所述的透波夹层结构薄层单元由不同厚度的石英纤维玻璃布、PMI泡沫、石英纤维玻璃布敷制而成，并由此实现天线罩的高透波率。

4.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，透波夹层结构薄层单元的外围是对安装螺钉进行遮挡的金属化法兰围框。

5.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，透波夹层结构薄层单元经过外形修形，位于低RCS天线罩中间区域，是天线工作时的透波窗口。

6.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，天线罩厚度为3mm，自上而下分别为0.5mm石英纤维玻璃布、2mmPMI泡沫、0.5mm石英纤维玻璃布。

7.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，天线罩安装于低RCS载体后，天线罩内为长120mm、宽90mm倒角菱形腔体结构，腔体高度65mm。

8.如权利要求1所述的高透波低RCS天线罩，其特征在于，天线罩外表面为曲面，且沿轴向对称，由中间到两端高度逐渐降低，其高度差36mm。