1 引言
    雷达天线罩是雷达系统的重要组成部分，被称为雷达系统的“电磁窗口”。雷达天线罩对改善雷达特别是雷达天线伺服系统的使用环境，保证雷达全天候工作，延长雷达系统使用寿命，提高其工作可靠性，降低寿命周期费用等方面有积极作用。特别是在一些高寒地区、戈壁沙漠、海岛等特殊气候地理条件下，雷达天线罩更是必不可少的。目前在卫星数据接收地面站、气象雷达站、航管雷达站等场所，用于L、S、C、X等波段的地面雷达天线罩已十分普遍。随着Ku~Ka波段雷达的广泛应用，应用于更高频段的地面雷达天线罩的研发也必然要提上日程。本文过Ku~Ka波段雷达天线罩的应用前景进行了分析，并对天线罩的电性能设计进行了研究。
2 Ku~Ka波段地面雷达天线罩的应用前景分析
    雷达主要使用电磁频谱的微波部分，一般常规雷达的工作频率在230MHz到40GHz之间，其对应的频率与波段如表1。
    但这远不是极限，目前雷达的工作频率可以而且已经超出了这个范围，毫米波雷达的工作频率高达94GHz，激光雷达的工作频率还要高。

       
    表1所列的各频段中，我们都十分熟悉C和Ku波段，这些波段通常被用来做数字电视的传输。由于低频信号不适合短瞬时间里传送大量的数据，而且有些波段要供军事或特定服务使用。所以目前的通信和电视卫星一般使用十到十三吉赫兹的波段向地球发送信号。随着航天领域的不断发展，数量快速增长的通讯和电视卫星，很快用光了10~13GHz之间的频率，所以国际电信联盟在Ku波段的高端(13GHz以上)到Ka波段区域里分配频率,所以近几年工作频率在Ku波段到Ka波段的雷达开始广泛应用。对卫星服务供应商来说,Ka波段变得越来越令人关注。有人已经做出“Ka波段就是卫星通讯的未来”的结论，因为我们不断地需要越来越宽的宽带信号，而较低的波段利用殆尽，Ka波段为我们提供了额外的频率范围。
    Ku~Ka波段雷达相对于X波段以下雷达相比，具有以下优点：
    (1)波瓣宽度小，定位精度高；
    (2)工作频率高、带宽大，雷达更不易受干扰，在大雨、大雪的天气情况下仍然有良好的效果；
    (3)雷达有较好的俯视角，可以覆盖更近的区域，减少盲区；
    (4)天线重量轻，且尺寸小，对地面站或移动载体的结构要求低； [-page-] 
    由于具有以上优点，在解决了一系列技术限制后，Ku~Ka波段雷达的应用前景必将十分广阔，目前我国在航空航天、气象探测、机场场面监视等领域已有所应用。同其他雷达天线一样，Ku~Ka波段的地面雷达也需要天线罩为其提供必要的防护，伴随Ku~Ka波段雷达的大量应用，Ku~Ka波段的地面雷达天线罩也必将迎来更广阔的市场。
3 Ku~Ka波段地面雷达天线罩电性能设计要点
    由于Ku~Ka波段的地面雷达天线罩的尺寸一般较小，天线罩的抗风能力、冰雪载荷等结构性能可以达到很高的水平。不同于工作频率较低的大尺寸地面雷达天线罩，在Ku~Ka波段的地面雷达天线罩设计上需要重点关注的是电性能，即在如此高的工作频率下和日益严格的性能要求下，天线罩的电气性能如何达到设计要求。
    一般雷达天线罩的设计可以分为三步，步是选择材料，材料必须兼顾电气性能和结构性能；第二步是确定电磁波的射频能量相对天线罩的入射角，根据入射角特性确定天线罩的结构；第三步是确定和验证天线罩的设计参数，主要包括材料的介电参数和厚度公差。
3.1 选材
    地面雷达天线罩材料一般由纤维增强复合材料及夹层材料(蜂窝或固体泡沫)组成。增强纤维主要由E玻璃纤维、S玻璃纤维、D玻璃纤维、石英玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等，其中石英纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维等由于高昂的价格，或具有吸湿性、与树脂粘附性差等缺点限制了其广泛应用。纤维增强复合材料的基体树脂一般采用价格低廉、成型方便的环氧树脂或不饱和聚酯树脂。纤维蜂窝、Nomex蜂窝、硬质聚氨酯泡沫等材料由于具有较高的力学性能和良好的介电性能，常被用做地面雷达天线罩的夹层材料。
    各种地面雷达天线罩常用材料的力学性能和介电性能在相关文献中有较多介绍，这里不再赘述。需要强调的是，由于工作频率较高，在为天线罩选择材料时应注意以下几点：
    ①为获得较高的透波率和低的反射率和热损耗，应尽量选择介电常数小、损耗角正切值小的材料；
    ②因材料的介电性能不仅与温度、密度、树脂含量、电场极化方式等有关，还与工作频率有关(见图1)。Ku~Ka波段的地面雷达天线罩在设计时应针对工作频率，对材料的介电常数和损耗角正切值进行测试，保证选用的设计参数和计算结果符合实际情况；
    ③在较高的工作频率下，表面防雨涂层、油漆、夹层粘接胶膜等对天线罩传输性能的影响不可忽略；
    ④为避免金属螺栓的影响，应考虑采用非金属介质螺栓连接板块；
    ⑤材料具有良好的工艺性、可生产性和经济性。

      
3.2入射角特性对高频天线罩影响
    对于雷达天线罩，入射角是指电磁波的传播方向和入射面法线之间的夹角。能量从天线发射至弯曲的天线罩表面上形成了入射角的范围(见图2)。任何已选定材料和结构形式的天线罩的功率传输特性（插入损耗和插入相位延迟）都是入射角和厚度、频率的函数。法向入射或入射角小于30°的天线罩被称为小入射角天线罩，这种类型的天线罩通常能够在设计上得到较高的工作特性。但是由于价格、场地空间、气动力学等要求，有时无法达到小入射角的条件或需要不同形状的罩子，那么入射角可能从法向入射变化到离开法向70°~80°之大，这样大的入射角范围使得天线性能大为降低，终导致了波束偏转、波瓣畸变和增益的损失，随着工作频率的增加，天线性能降低的更为明显。入射角不但影响天线性能，而且当入射角很大时，平行极化和垂直极化的天线罩佳厚度有很大差别，对一种极化佳而对另一种极化则可能使其严重变坏。图3是厚度波长比为0.25，材料为E玻璃纤维/不饱和聚酯树脂复合的单层介质板的透波率和插入相位延迟随入射角变化曲线。

           
    由于电波入射角对天线罩性能的显著影响，在Ku~Ka波段雷达天线罩的设计中，入射角问题是必须重点考虑的因素。地面雷达天线罩的罩壁形式普遍采用单层或A夹层结构，个别也有采用C夹层，从电波的入射角特性出发，它们各有优缺点。 [-page-]
(1)单层薄壁结构
    单层薄壁结构一般要求材料的电气厚度小于波长的二十分之一，以获得较高的传输效率。在高频端，对于自支撑结构天线罩，小于波长20分之一的厚度显然无法满足结构要求，应该考虑采用半波长或全波长厚度。用骨架支撑的充气式天线罩一般采用厚度小于1mm的单层介质蒙皮，这种结构具有重量轻、频带宽等特点，如果材料选择合适，即使是大入射角，这种结构仍能获得较高的传输效率。单层薄壁结构用于Ku~Ka波段雷达天线罩，大的优点是在不同极化时插入相位移之差（△IPD）随入射角变化较小，这一特性将使其在厘米波和毫米波天线罩中得到广泛应用。
(2)A夹层结构
    这里所说的A夹层结构为对称A夹层，它的优点是由于相同厚度内外蒙皮可以将反射能量互相抵消，从而使天线罩获得较高的传输效率，同时A夹层结构的力学性能好，结构强度高。但是由于A夹层的电气特性随入射角变化明显，特别是△IPD较大，所以A夹层结构可以用作对副瓣要求不高的卫星通信或卫星遥感天线罩。另外A夹层结构适用于做单频率或频带不宽的产品，不宜用作频带太宽的天线罩。
(3)C夹层结构
    C夹层结构由于成型工艺复杂，很少在地面雷达天线罩上采用，与单层介质结构和A夹层结构相比，C夹层结构可以同时获得较高的电气和结构性能，C夹层大的优点是高强度、高刚度；传输特性平缓、频带宽。对称C夹层的佳传输可以用两个方法得到：①用两个佳的A夹层背靠背组合在一起，使组成的两个A型夹层发生的反射互相抵消；②使中心蒙皮的厚度大于或小于外蒙皮厚度的二倍来获得。在较大的入射角范围内，设计合理的C夹层能够获得比A型夹层更高的传输性能。
3.3 制造公差对天线罩性能的影响
    当天线罩的尺寸、所用材料、壁厚参数都确定后，对天线罩终性能的影响的至关重要的因素就是制造公差了，制造公差是在产品成型加工过程中产生的厚度公差和介电参数公差。一般说来当介电常数和入射角增大时，会使得厚度和介电常数的公差要求变得更为苛刻，特别是当设计上采取了高阶厚度时，图4~图6分别是厚度公差、介电常数公差和损耗角正切公差对天线罩传输性能的影响曲线。

        
4 结语
    通过上述对Ku~Ka波段天线罩设计要点的分析，不难看出较高的工作频段给天线罩的设计、制造带来了一定难度，必须通过对材料、结构和制造进行优化，同时借鉴其它低频段地面雷达天线罩成功经验，通过合理的设计和有效的加工精度控制，才能是可以生产出满足要求的产品的。
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