1 引言
    雷達天線罩是雷達系統的重要組成部分，被稱為雷達系統的“電磁窗口”。雷達天線罩對改善雷達特別是雷達天線伺服系統的使用環境，保證雷達全天候工作，延長雷達系統使用壽命，提高其工作可靠性，降低壽命周期費用等方面有積極作用。特別是在一些高寒地區、戈壁沙漠、海島等特殊氣候地理條件下，雷達天線罩更是必不可少的。目前在衛星數據接收地面站、氣象雷達站、航管雷達站等場所，用于L、S、C、X等波段的地面雷達天線罩已十分普遍。隨著Ku~Ka波段雷達的廣泛應用，應用于更高頻段的地面雷達天線罩的研發也必然要提上日程。本文過Ku~Ka波段雷達天線罩的應用前景進行了分析，并對天線罩的電性能設計進行了研究。
2 Ku~Ka波段地面雷達天線罩的應用前景分析
    雷達主要使用電磁頻譜的微波部分，一般常規雷達的工作頻率在230MHz到40GHz之間，其對應的頻率與波段如表1。
    但這遠不是極限，目前雷達的工作頻率可以而且已經超出了這個范圍，毫米波雷達的工作頻率高達94GHz，激光雷達的工作頻率還要高。

       
    表1所列的各頻段中，我們都十分熟悉C和Ku波段，這些波段通常被用來做數字電視的傳輸。由于低頻信號不適合短瞬時間里傳送大量的數據，而且有些波段要供軍事或特定服務使用。所以目前的通信和電視衛星一般使用十到十三吉赫茲的波段向地球發送信號。隨著航天領域的不斷發展，數量快速增長的通訊和電視衛星，很快用光了10~13GHz之間的頻率，所以國際電信聯盟在Ku波段的高端(13GHz以上)到Ka波段區域里分配頻率,所以近幾年工作頻率在Ku波段到Ka波段的雷達開始廣泛應用。對衛星服務供應商來說,Ka波段變得越來越令人關注。有人已經做出“Ka波段就是衛星通訊的未來”的結論，因為我們不斷地需要越來越寬的寬帶信號，而較低的波段利用殆盡，Ka波段為我們提供了額外的頻率范圍。
    Ku~Ka波段雷達相對于X波段以下雷達相比，具有以下優點：
    (1)波瓣寬度小，定位精度高；
    (2)工作頻率高、帶寬大，雷達更不易受干擾，在大雨、大雪的天氣情況下仍然有良好的效果；
    (3)雷達有較好的俯視角，可以覆蓋更近的區域，減少盲區；
    (4)天線重量輕，且尺寸小，對地面站或移動載體的結構要求低； [-page-] 
    由于具有以上優點，在解決了一系列技術限制后，Ku~Ka波段雷達的應用前景必將十分廣闊，目前我國在航空航天、氣象探測、機場場面監視等領域已有所應用。同其他雷達天線一樣，Ku~Ka波段的地面雷達也需要天線罩為其提供必要的防護，伴隨Ku~Ka波段雷達的大量應用，Ku~Ka波段的地面雷達天線罩也必將迎來更廣闊的市場。
3 Ku~Ka波段地面雷達天線罩電性能設計要點
    由于Ku~Ka波段的地面雷達天線罩的尺寸一般較小，天線罩的抗風能力、冰雪載荷等結構性能可以達到很高的水平。不同于工作頻率較低的大尺寸地面雷達天線罩，在Ku~Ka波段的地面雷達天線罩設計上需要重點關注的是電性能，即在如此高的工作頻率下和日益嚴格的性能要求下，天線罩的電氣性能如何達到設計要求。
    一般雷達天線罩的設計可以分為三步，步是選擇材料，材料必須兼顧電氣性能和結構性能；第二步是確定電磁波的射頻能量相對天線罩的入射角，根據入射角特性確定天線罩的結構；第三步是確定和驗證天線罩的設計參數，主要包括材料的介電參數和厚度公差。
3.1 選材
    地面雷達天線罩材料一般由纖維增強復合材料及夾層材料(蜂窩或固體泡沫)組成。增強纖維主要由E玻璃纖維、S玻璃纖維、D玻璃纖維、石英玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等，其中石英纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維等由于高昂的價格，或具有吸濕性、與樹脂粘附性差等缺點限制了其廣泛應用。纖維增強復合材料的基體樹脂一般采用價格低廉、成型方便的環氧樹脂或不飽和聚酯樹脂。纖維蜂窩、Nomex蜂窩、硬質聚氨酯泡沫等材料由于具有較高的力學性能和良好的介電性能，常被用做地面雷達天線罩的夾層材料。
    各種地面雷達天線罩常用材料的力學性能和介電性能在相關文獻中有較多介紹，這里不再贅述。需要強調的是，由于工作頻率較高，在為天線罩選擇材料時應注意以下幾點：
    ①為獲得較高的透波率和低的反射率和熱損耗，應盡量選擇介電常數小、損耗角正切值小的材料；
    ②因材料的介電性能不僅與溫度、密度、樹脂含量、電場極化方式等有關，還與工作頻率有關(見圖1)。Ku~Ka波段的地面雷達天線罩在設計時應針對工作頻率，對材料的介電常數和損耗角正切值進行測試，保證選用的設計參數和計算結果符合實際情況；
    ③在較高的工作頻率下，表面防雨涂層、油漆、夾層粘接膠膜等對天線罩傳輸性能的影響不可忽略；
    ④為避免金屬螺栓的影響，應考慮采用非金屬介質螺栓連接板塊；
    ⑤材料具有良好的工藝性、可生產性和經濟性。

      
3.2入射角特性對高頻天線罩影響
    對于雷達天線罩，入射角是指電磁波的傳播方向和入射面法線之間的夾角。能量從天線發射至彎曲的天線罩表面上形成了入射角的范圍(見圖2)。任何已選定材料和結構形式的天線罩的功率傳輸特性（插入損耗和插入相位延遲）都是入射角和厚度、頻率的函數。法向入射或入射角小于30°的天線罩被稱為小入射角天線罩，這種類型的天線罩通常能夠在設計上得到較高的工作特性。但是由于價格、場地空間、氣動力學等要求，有時無法達到小入射角的條件或需要不同形狀的罩子，那么入射角可能從法向入射變化到離開法向70°~80°之大，這樣大的入射角范圍使得天線性能大為降低，終導致了波束偏轉、波瓣畸變和增益的損失，隨著工作頻率的增加，天線性能降低的更為明顯。入射角不但影響天線性能，而且當入射角很大時，平行極化和垂直極化的天線罩佳厚度有很大差別，對一種極化佳而對另一種極化則可能使其嚴重變壞。圖3是厚度波長比為0.25，材料為E玻璃纖維/不飽和聚酯樹脂復合的單層介質板的透波率和插入相位延遲隨入射角變化曲線。

           
    由于電波入射角對天線罩性能的顯著影響，在Ku~Ka波段雷達天線罩的設計中，入射角問題是必須重點考慮的因素。地面雷達天線罩的罩壁形式普遍采用單層或A夾層結構，個別也有采用C夾層，從電波的入射角特性出發，它們各有優缺點。 [-page-]
(1)單層薄壁結構
    單層薄壁結構一般要求材料的電氣厚度小于波長的二十分之一，以獲得較高的傳輸效率。在高頻端，對于自支撐結構天線罩，小于波長20分之一的厚度顯然無法滿足結構要求，應該考慮采用半波長或全波長厚度。用骨架支撐的充氣式天線罩一般采用厚度小于1mm的單層介質蒙皮，這種結構具有重量輕、頻帶寬等特點，如果材料選擇合適，即使是大入射角，這種結構仍能獲得較高的傳輸效率。單層薄壁結構用于Ku~Ka波段雷達天線罩，大的優點是在不同極化時插入相位移之差（△IPD）隨入射角變化較小，這一特性將使其在厘米波和毫米波天線罩中得到廣泛應用。
(2)A夾層結構
    這里所說的A夾層結構為對稱A夾層，它的優點是由于相同厚度內外蒙皮可以將反射能量互相抵消，從而使天線罩獲得較高的傳輸效率，同時A夾層結構的力學性能好，結構強度高。但是由于A夾層的電氣特性隨入射角變化明顯，特別是△IPD較大，所以A夾層結構可以用作對副瓣要求不高的衛星通信或衛星遙感天線罩。另外A夾層結構適用于做單頻率或頻帶不寬的產品，不宜用作頻帶太寬的天線罩。
(3)C夾層結構
    C夾層結構由于成型工藝復雜，很少在地面雷達天線罩上采用，與單層介質結構和A夾層結構相比，C夾層結構可以同時獲得較高的電氣和結構性能，C夾層大的優點是高強度、高剛度；傳輸特性平緩、頻帶寬。對稱C夾層的佳傳輸可以用兩個方法得到：①用兩個佳的A夾層背靠背組合在一起，使組成的兩個A型夾層發生的反射互相抵消；②使中心蒙皮的厚度大于或小于外蒙皮厚度的二倍來獲得。在較大的入射角范圍內，設計合理的C夾層能夠獲得比A型夾層更高的傳輸性能。
3.3 制造公差對天線罩性能的影響
    當天線罩的尺寸、所用材料、壁厚參數都確定后，對天線罩終性能的影響的至關重要的因素就是制造公差了，制造公差是在產品成型加工過程中產生的厚度公差和介電參數公差。一般說來當介電常數和入射角增大時，會使得厚度和介電常數的公差要求變得更為苛刻，特別是當設計上采取了高階厚度時，圖4~圖6分別是厚度公差、介電常數公差和損耗角正切公差對天線罩傳輸性能的影響曲線。

        
4 結語
    通過上述對Ku~Ka波段天線罩設計要點的分析，不難看出較高的工作頻段給天線罩的設計、制造帶來了一定難度，必須通過對材料、結構和制造進行優化，同時借鑒其它低頻段地面雷達天線罩成功經驗，通過合理的設計和有效的加工精度控制，才能是可以生產出滿足要求的產品的。
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