天线罩的用途、性能和结构

天线罩是安装在天线上的一个保护性结构，基本作用如下：

1.保护天线：天线罩可以保护天线免受外界环境的影响，如雨、雪、风、沙尘等，延长天线的使用寿命。

2.减少损伤：在天线遭受外力撞击时，天线罩可以吸收部分冲击力甚至牺牲自己，保护天线免受损伤。

3.减少风阻：天线罩的设计可以减少风阻，降低机载天线的阻力，提高天线的稳定性。

4.电磁波传输：天线罩材料通常具有良好的电磁波穿透性，允许电磁波顺利通过，同时对天线的辐射模式影响较小。

5.美观：天线罩还可以提高天线的外观，使其更加美观，与周围环境协调。

6.隐蔽性：在某些应用中，天线罩可以用于隐藏天线，以减少对周围环境的视觉影响。

7.防止干扰：天线罩可以减少天线对其他电子设备的干扰，同时也减少其他设备对天线的干扰。

8.散热：在某些高功率的天线系统中，天线罩还可以帮助散热，保持天线的正常工作温度。

天线罩会影响天线的辐射性能，具体指标详述如下：

1.波束偏转：天线罩材料的折射和反射会导致电磁波的传播方向发生偏移，从而影响天线的指向性。对于笔形波束来说，电磁波的波束偏转以主波束电轴的偏移（即瞄准误差）来衡量。

2.波束畸变：天线罩会引起天线辐射模式的畸变，引起主瓣宽度的改变、零点深度的提高和旁瓣电平的增加。

3.传输损耗：天线罩对电磁波的吸收和反射会引起传输损耗，影响天线的增益。在接收时，天线罩的损耗和物理温度会提高接收系统的噪声温度。天线罩的传输损耗常以电磁透射率表示。

4.插入相位移：电磁波在通过天线罩时，不同位置介质层的电磁路径不同，导致插入相位不同。

5.相位一致性：相控阵雷达的天线单元为阵列系统，不同单元因相对于天线罩位置不同，导致天线罩对各单元产生不同的插入相移，从而引起天线合成波束的畸变。相位一致性是用来衡量天线罩对各天线单元的相位影响。

天线罩按结构可分为单层、夹层和含金属功能结构等三种类型。单层壁只使用一种材料，结构最为简单。为了降低损耗，单层壁天线罩可采用薄壁和半波壁厚结构。夹层结构的天线罩可以提供更高的结构强度，适当的层厚配比也可提供优异的透波性能。夹层壁包括A夹层、B夹层、C夹层和多夹层等结构。含金属物结构分为电抗加载结构和频率选择表面结构。

具体天线罩层结构如下图所示。其中，A夹层为两层高强度蒙皮结构包夹低损耗、低介电常数、低密度材料。B夹层结构则恰好相反。C夹层和多夹层结构则采用更多层材料，其主要目的是提高天线罩的结构强度。

图1 天线罩层结构

单层壁天线罩通常由陶瓷材料烧制或由树脂纤维材料拉伸并叠层制成。半波壁适应的入射角范围大，插入相位平稳，且对极化不敏感。半波壁的缺点是频带窄，透波率对入射角的变化敏感。半波壁通常材料密度大，结构强度高，故常用于战斗机或导弹的头罩。

薄壁天线罩的厚度通常小于工作波长1/20，重量轻，电性能好，但是机械强度差。

A夹层天线罩由内外两层蒙皮和中间的芯层组成，高强度蒙皮可以抵抗冲击，芯层可以抗扭转，低密度的芯层厚度占比大，因此天线罩整体重量低。蒙皮介电常数高于空气，因此反射也较大，可通过合适的厚度配比可以使蒙皮的反射相互抵消，从而实现高的透波率。

下图所示为Ka波段A夹层天线罩的透波损耗随芯层厚度的变化曲线。从中可以看出，天线罩最优损耗并非出现在芯层厚度为0处，第一个透波最优的芯层厚度大约为1.5mm，第二个最优厚度大约为5.5mm。在天线罩设计中应考虑天线罩尺寸和强度要求，从而从下图曲线的各个峰值点中寻找最优的芯层厚度。

图2 A夹层的透波损耗随芯层厚度的变化曲线

B夹层天线罩由内外两层低介电常数材料包夹中间的高介电常数材料，合理设计可以使其电性能优于A夹层结构，但其机械强度往往较差，因此不常使用。

C夹层天线罩由三层蒙皮和两层芯层组成，力学性能好，利用多层结构可以拓展工作频段。但是C夹层结构工艺复杂，制造的重复性较差，插入相位性能也不佳。

多层夹层天线罩是C夹层的升级，其由许多不同介电常数的材料组合而成，带宽更宽，一般应用于电子对抗天线罩。

含金属物的天线罩分为电抗加载和频率选择表面两种技术路线。电抗加载就是将金属物按照一定方式和一定方向排列加到常规壁结构上，使天线罩在某个频段具有特殊的电性能。频率选择表面是一种单元按二维周期性排列构成的单层或多层表面的立体结构，特定频段的电磁波可以穿透天线罩，而将其他频率信号散射到其他方向，从而在保证自身雷达正常工作的同时实现对敌隐身。