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基于复合材料的雷达天线罩设计

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钱俊辉卿海

摘要：基于对天线阵列进行相关保护，以及尽量减缓对天线阵列的方向图、增益的影响，稳重提出以复合材料为基础的天线罩设计。在A夹层架构基础上，将芯层设计成蜂窝周期性的构造，并通过对等效电磁参数研究实现介质材料的介电常数的规律性改变，进而对天线罩的透射系数进行相关调整。在进行雷达天线罩电磁性能改进时候，将遗传算法和等效传输线理论相结合来得到使蜂窝介质平板的透波性能最优的介电常数，从而提升天线罩整体功能。利用仿真实验对提出的方法进行测试，仿真结果证明了此方法可行性。

关键词：复合材料;天线罩;蜂窝周期性结构;遗传算法;雷达

随着我国国防事业的不断进步，各个国家开始了对不同规模的相控阵雷达的研究。由于其含有波束指向灵活的特点，进而实现了在没有惯性的情况下进行扫描的有点，并且快速成为了提升防空导弹武器系统作战性能有力武器[1]。为了避免风、雨、雷电等恶劣天气对相控阵雷达天线阵列的影响，对于天线罩的研发受到了广泛的关注，并将其应用在对其他天线进行保护方面。

1基于复合材料的雷达天线罩

对于天线罩的安装，是将其安装在天线阵列外侧，进而可以有效的对硬件结构起到保护的作用。在进行设计的过程当中常常会用到电磁学、力学、热学等不同的科目。为了可以使力学和热学在各项标准上与平面雷达天线阵列共形，本文通过使用复合材料、多层的平板结构对天线罩进行相关的设计，在横截面使用了A夹层结构方式，详细结构如图1所示。

对于A夹层结构来说，其包括了两层蒙皮、两层胶层和一层芯层。图中颜色较深部分主要是由介质材料中介电常数的数值较高所引起的，而颜色较浅的是由于介电常数的数值较低所引起的。而中间白色部分就是不同介质材料之间粘结的胶层。一般来说，外层所使用的是质量较好的高介电常数蒙皮，在进行材料选择时，选用了线膨胀系数低、在高温度中稳定性较强、介电性能较好，进而可以制造出质量、性能较好的氰酸酯基石英纤维复合材料以及泡沫蜂窝结构的芯层。

2天线罩辐射性能优化

对于天线罩辐射、散射和透波特性来说，其是受到自身的架构、材料和身处的环境影响。在进行天线罩加工过程中，电磁性能可能会出现差异性，所以要对自身进行相关的优化进而达到最优状态。对复合材料的天线罩进行相关优化主要是通过遗传算法，然后使用目标函数、约束条件等不同的方面对复合材料雷达天线罩的电磁性能进行详细分析。为了可以让雷达天线罩的透射系数尽可能地好，需要在保证蒙皮厚度情形下，对蜂窝结构的大小进行改善，从而得到正常的蜂窝结构的。这一节主要通过遗传算法当做雷达天线罩投射性能的主要算法，然后通过等效传输线理论进而对蜂窝介质平板的透波相关性能进行计算。在进行改善的过程当中，一个良好的适应度函数对改善的结果起到决定性作用。

进行改善的过程如下：

（1）要确定天线罩的改善目标、约束条件、设计变量。在使用遗传算法时要对其参数进行相关的设定然后通过随机的方式产生初始的种群;

（2）要对天线罩的相关架构进行网格离散华，进而构建起有限元模型以及入射角范围;

（3）对初始种群所包含的每一个个体进行相关的记录，并通过有效传输线理论协助进而得到雷达天线罩平板的透波系数大小;

（4）在初始种群中在不同的度数值有哪些信誉好的足球投注网站最好的个体，然后记录下来;

（5）在进化的过程中，要对种群进行选择、交叉、变异等操作，然后让其生成新的种群然后返回到步骤（3），如此进行循环，直到最终设定的次数为止;

（6）最后要把各个参数进行记录，然后利用等不同的平台进行相关考证。在上述过程中，种群所有的个体都要进行适应度的相关计算。所得出的数据与个体电磁性能、热学和力学性能相关联，然后将数据输送到软件中进行处理，进而增强天线罩整体的改善速度。

3仿真验证与数据分析

基于上面的所述的思想，进而验证其的可行性。选用电磁仿真三维设备对介质平板透波性进行相关性能仿真。对于外蒙皮的材料选择氰酸酯基石英纤维复合材料，主要是由于其质地好、膨胀系数低、稳定轻强、易于加工等特点。在进行芯层蜂窝周期性结构设计过程中要选择环氧复合材料，然后通过改善，此材料的相对介电常数为。图2展现出雷达平板天线罩芯层蜂窝结构的和幅度与相位随频率之间的变化趋势。由图可以看出S11和S12幅度跟随频率的增加而降低，但是相位却与之相反。

不断地对蜂窝单元的参数进行改变，进而将整体的介电常数也随着改变，与此同时，介质的等效介电常数可以通过S11和S12两者计算得出。资料显示，雷达平板天线罩蜂窝结构等效介电常数会随着频率的变化而变化，两者呈负相关关系，即等效介电常数增加时，频率则呈逐渐减低趋势，之后变化的幅度越来越小。

天线罩的有和没有对整体的天线S11幅度和增益都产生了重大影响，即：天线罩存在时，对于天线S11幅度和增益是存在一定消耗的，进而让天线电磁本身所含有