《雷达天线罩理论基础和电性能工程设计》系统且全面地介绍了雷达天线罩电性能相关的基本概念、电磁理论、设计步骤、测试方法和技术要点等内容。详细分析了雷达天线罩和超材料天线罩受均匀厚度和非均匀厚度、常规和非对称*面罩体变化、复合材料选取和超表面结构选择等因素的影响。全面讲解了雷达天线罩电性能设计所运用的等效传输线分析方法、几何和物理光学法、全波电磁计算方法等。《雷达天线罩理论基础和电性能工程设计》还深入探讨了提高雷达天线罩的测试精度，改善功率传输，减少多天线系统的相位不一致性，降低防雷击条影响，减少环境温度/湿度以及辐射功率对罩壁的作用等内容。

目录
前言
第1章 雷达天线罩和电性能设计概述 1
1.1 天线罩的发展历程与用途 2
1.2 天线罩的类型和基本电性能参数 3
1.2.1 天线罩的应用行业分类 3
1.2.2 天线罩的结构分类 4
1.2.3 天线罩的外形分类 7
1.2.4 天线罩的基本电性能参数 9
1.3 天线罩电性能设计和分析技术 11
1.4 本章小结 13
参考文献 13
第2章 天线罩相关的电磁波传输理论 16
2.1 电磁波和平面电磁波的形成 16
2.2 理想介质中的均**面电磁波 17
2.2.1 理想介质中的正弦均**面波 18
2.2.2 导电介质中的正弦均**面波 18
2.2.3 低耗介质中的正弦均**面波 19
2.3 平面电磁波的极化 19
2.3.1 平面电磁波在理想介质分界面上的反射与折射 19
2.3.2 垂直极化波在理想介质分界面上的反射与折射 20
2.3.3 平行极化波在理想介质分界面上的反射与折射 21
2.4 电磁波在平面分层介质中的反射与透射 21
2.4.1 二层介质的反射与透射 21
2.4.2 三层介质的反射与透射 22
2.4.3 多层介质的反射与透射 24
2.5 天线辐射的基本原理 25
2.5.1 天线辐射性能参数 25
2.5.2 天线单元因子和方向图阵因子 27
2.6 天线方向图的和与差 28
2.7 天线罩对辐射方向图产生影响的物理量 29
2.7.1 相位误差和相位不一致性 30
2.7.2 天线近区副瓣电平抬升 32
2.7.3 瞄准误差 32
2.7.4 瞄准误差变化率 33
2.7.5 瞄准误差一致性 33
2.7.6 零深电平抬高 34
2.7.7 远区均方根副瓣抬高（含镜像瓣电平） 34
2.7.8 镜像瓣电平 35
2.7.9 波束宽度变化 36
2.8 罩壁内表面的功率反射系数 36
2.9 本章小结 37
参考文献 38
第3章 天线罩用工程复合材料 39
3.1 天线罩材料电参数特性 39
3.2 天线罩材料分类 39
3.2.1 环氧树脂基体 40
3.2.2 双马来酰亚胺树脂基体 41
3.2.3 氰酸酯树脂基体 41
3.3 弹载天线罩材料 42
3.4 机载天线罩材料 43
3.4.1 蒙皮用材料 43
3.4.2 芯层用材料 45
3.4.3 表面涂层材料 46
3.5 本章小结 49
参考文献 50
第4章 天线罩设计的等效传输线分析方法 51
4.1 均匀传输线矩阵方法 51
4.2 单层介质平板功率传输系数和透射系数 55
4.2.1 电磁波极化分解原理 55
4.2.2 功率传输系数和透射系数 56
4.2.3 半波长壁厚平板罩 58
4.3 影响介质天线罩功率传输系数（透波率）的因素 62
4.3.1 极化方式对功率传输系数的影响 62
4.3.2 介电常数对功率传输系数的影响 63
4.3.3 损耗角正切对功率传输系数的影响 64
4.4 多层介质平板功率传输系数和透射系数 65
4.4.1 多层介质平板的传输矩阵单元计算 66
4.4.2 多层介质平板的厚度计算 67
4.4.3 多层介质平板的反射和透射系数 67
4.4.4 多层介质平板的插入相位移 67
4.4.5 多层介质平板的反射相位 68
4.5 平板天线罩入射角的确定 68
4.6 本章小结 69
参考文献 69
第5章 天线罩电性能高频分析方法 70
5.1 几何光学法分析方法 70
5.1.1 几何光学法原理 71
5.1.2 坐标变换公式 75
5.1.3 天线罩模型 76
5.1.4 求解入射线与天线罩壁的交点 78
5.1.5 求解外法向矢量和入射角 80
5.1.6 电场分解与合成 83
5.2 几何光学法计算算例 84
5.3 物理光学法分析方法 85
5.3.1 口径积分-表面积分和平面波谱-表面积分 85
5.3.2 AI-SI的数学模型 86
5.3.3 天线口面的离散化 88
5.3.4 天线近场的计算 90
5.4 天线与天线罩之间坐标变换关系 94
5.4.1 求解内壁电磁波入射角 97
5.4.2 求解天线罩外表面电磁场 98
5.4.3 远区场求解 99
5.5 物理光学法计算算例 100
5.6 天线罩电性能优化设计 104
5.6.1 天线罩指标和材料 105
5.6.2 电性能设计和分析 106
5.6.3 天线罩电性能计算 108
5.6.4 将粒子群优化算法引入电性能设计 109
5.7 本章小结 113
参考文献 114
第6章 天线罩电性能设计的电磁全波计算方法 115
6.1 电磁全波计算方法简介 115
6.2 天线罩几何数模产生和网格化处理 116
6.2.1 典型天线罩的数模产生 116
6.2.2 复杂天线罩的数模产生 117
6.2.3 天线罩的网格剖分 119
6.3 利用FEKO计算天线口面场 123
6.4 基于MOM-MLFMM的多层天线罩电性能仿真 125
6.5 本章小结 127
参考文献 127
第7章 平面和*面频选天线罩电性能设计 129
7.1 频率选择表面天线罩（FSSR）的构造和功能 129
7.2 FSS 结构的建模仿真 130
7.2.1 FSS 单元形式 131
7.2.2 FSS 结构的空间滤波机制 131
7.3 平面FSSR建模及仿真 133
7.3.1 A 夹层介质天线罩设计 134
7.3.2 平面FSSR设计 135
7.4 *面FSSR建模及仿真 137
7.4.1 HFSS-MATLAB-Api 介绍 138
7.4.2 *面FSSR建模方法 139
7.4.3 *面FSSR的“模拟测试法” 140
7.5 *面FSS结构的仿真验证实例 142
7.5.1 FSS 单元模型及*面FSSR系统建模 142
7.5.2 *面FSSR系统仿真 143
7.6 快速FSSR建模的软件实现 145
7.7 基于圆极化天线的*面FSSR的电性能 147
7.7.1 缝隙型FSSR设计 147
7.7.2 天线-*面FSSR系统设计 148
7.7.3 背腔式高频平面螺旋天线的设计 148
7.7.4 天线-*面FSSR系统建模 152
7.7.5 *面FSSR系统的电性能分析 153
7.7.6 *面*率对电性能影响分析 154
7.7.7 FSS单元的排列方式和位置分析 156
7.7.8 *面FSSR的RCS变化分析 157
7.8 本章小结 159
参考文献 159
第8章 天线罩的电性能测试 161
8.1 测试场地要求和准备 161
8.1.1 测试场地选取 161
8.1.2 测试仪器选取 162
8.1.3 收发天线距离计算 163
8.1.4 矢量网络分析仪校准 164
8.1.5 中频带宽设置 165
8.1.6 空间信道电平衰减估算 165
8.2 时域门技术的引入 167
8.2.1 时域门技术原理介绍 167
8.2.2 应用时域门要考虑的因素 168
8.3 平板天线罩透波率测试 171
8.3.1 平板天线罩大小确定 171
8.3.2 透波率测试实例 171
8.4 多天线-天线罩系统中的相位不一致性测试 178
8.4.1 多天线测试系统 178
8.4.2 相位不一致性测试 179
8.4.3 相位不一致性的测试结果 182
8.5 多天线和天线阵列-天线罩系统的测向误差 185
8.5.1 天线阵列测向原理 185
8.5.2 虚拟基线干涉仪测向原理 187
8.6 天线阵列测向精度及误差 188
8.6.1 相位干涉仪测向精度分析 188
8.6.2 不同测向方法实测数据对比分析 188
8.7 天线罩相位误差影响因素分析 191
8.8 天线罩相位误差的校正方法 192
8.8.1 校正方法介绍 192
8.8.2 实测结果与分析 192
8.9 相位不一致性与测向误差的关系 196
8.10 本章小结 198
参考文献 198
第9章 天线罩损伤对电性能的影响与损伤修复 200
9.1 天线罩损伤产生原因及分类 200
9.1.1 天线罩损伤产生原因 200
9.1.2 天线罩损伤分类 201
9.2 损伤天线罩电性能仿真研究 202
9.2.1 电磁全波分析损伤天线罩电性能方法研究 202
9.2.2 天线罩穿孔仿真研究 204
9.2.3 天线罩划伤（伤及芯层）仿真研究 207
9.2.4 天线罩含有水汽仿真研究 209
9.2.5 天线罩损伤类型总结 213
9.3 损伤测试 213
9.4 天线罩损伤修复和等效介电常数获取 215
9.4.1 天线罩损伤检测及修复技术 215
9.4.2 天线罩等效介电常数获取 216
9.5 本章小结 225
参考文献 225
第10章 环境因素对天线罩电性能影响的分析 227
10.1 防雷击分流条的电磁波传输性能分析 227
10.1.1 防雷击分流条 227
10.1.2 分流条的电磁模型建立 228
10.1.3 传输性能分析 230
10.2 防雷击分流条电磁辐射特性分析 232
10.2.1 分流条材料对电磁波传输的影响 233
10.2.2 分流条长度对电磁波传输的影响 233
10.2.3 分流条宽度对电磁波传输的影响 235
10.2.4 分流条厚度对电磁波传输的影响 236
10.2.5 不同入射角对电磁波传输的影响 236
10.3 防雷击分流条实物仿真和测试 238
10.3.1 电磁仿真建模和仿真设置 238
10.3.2 实物模型制作 238
10.3.3 测试安装和步骤 239
10.3.4 测试结果对比分析 240
10.4 复杂罩体的防雷击分流条仿真实验 241
10.4.1 天线-天线罩仿真模型参数 241
10.4.2 天线罩防雷击验证 243
10.4.3 安装片段式分流条 247
10.5 温度对天线罩电性能影响的研究 248
10.5.1 介质材料和树脂在不同温度下的特性变化 248
10.5.2 天线罩在不同温度下的透波特性变化 251
10.5.3 实物测试与分析 256
10.6 本章小结 259
参考文献 260
第11章 变厚度天线罩电性能设计技术 261
11.1 变厚度天线罩的设计原理 261
11.1.1 变厚度天线罩设计方法 261
11.1.2 内壁入射角计算方法 262
11.1.3 天线罩内壁平均入射角计算 265
11.1.4 天线罩外壁的分割方法

第1章雷达天线罩和电性能设计概述
　　雷达天线罩(Radome)是英文“Radar Dome”的缩写[1]，是电磁波的窗口，用于保护雷达天线，防止环境对雷达天线的工作状态产生影响和干扰。其主要作用是降低驱动天线运转的功率，提高其工作可靠性，保证雷达天线全天候工作。
　　天线罩的作用是保护天线系统免受外界恶劣环境的影响，如风沙、雨雪、冰雹、盐雾、尘土、昆虫，以及极端温度(低温和高温)。这些环境因素可能导致天线精度降低、寿命缩短和工作可靠性差，天线罩在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性，同时在机械性能上能够承受外部恶劣环境的作用。
　　雷达天线罩通常由玻璃纤维复合材料制成，天线罩则由介电材料制成，是放置在雷达或其他天线外部的流线型保护构件。
　　从传统定义来看，雷达天线罩和天线罩有所区别，但实际上两者都是以保护天线系统能够正常工作为主要目的，且当前在使用范围和发展趋势上这两个概念日渐趋同。因此，本章及后续章节将不再区分二者，均以天线罩称之，除非专门特指。
　　作为物理隔离环境的装置，天线罩广泛应用于军事和民用领域，特别是在国防建设中起到重要的作用。
　　(1)用于各种民用和军用雷达天线的天线罩，占据天线罩应用的大部分。
　　(2)微波通信领域的微波塔楼、微波中继站、微波设备的微波墙，以及用于保护各种通信天线的天线罩等。
　　(3)用于天线馈源和相位校正透镜(如龙伯透镜)的馈源罩等[2]。
　　天线罩应用于机载、弹载、高速飞行器上时，其不仅需要保护天线罩的内部天线系统，提供类透明的电磁辐射窗口，还需要保证相应飞行器的气动外形不变化，确保飞行器的飞行状态不受影响。随着电子技术的发展，天线罩和天线系统一体化已经成为趋势，天线罩已经成为天线系统的重要组成部分。图1.1所示为多款天线罩。
　　早期天线罩主要是用来保护装在天线罩内的天线系统以及一部分收发装置，使其免受外界恶劣环境的影响。现代天线罩除了具备早期天线罩的各项功能，还提供了一个适宜的分界面，以便保持结构、温度和空气动力的特性，同时能够得到所要求的电气性能。也就是说，天线罩应满足天线对天线-天线罩综合体的电气指标、机械结构强度、抗候性能、使用寿命以及工艺制造成本等复杂的相互矛盾的要求[4]。对于机载天线罩、导弹头天线罩等，外形还应满足空气动力学的要求。
　　图1.1多款天线罩[3]
　　理想的天线罩不应该降低天线性能，但实际上，综合其他方面的*低要求又必须做出部分牺牲，所以天线罩的电气性能不可能是*佳的。天线罩其他功能的要求，必然导致天线系统指标下降，但是天线罩又不可或缺，所以如何设计一款优秀的天线罩，在保护天线的同时，减少其对天线的干扰、天线辐射特性的衰减以及对相控阵天线相位的影响，具有很高的研究价值。
　　1.1天线罩的发展历程与用途
　　天线罩的发展史与雷达天线的发展进程有很大的关联性。在天线罩出现之前，第二次世界大战初期，慢速飞机通常搭载由八木-宇田天线或者半波长天线组成的甚高频雷达，这种天线制作简单，且对外界环境的敏感度较低，所以当时没有考虑在天线外面加上罩体封闭的必要性。随着飞机速度的提升，保护飞机上的雷达天线免受外部物理环境的影响变得越来越重要。1940年，世界上**款天线罩诞生，是用在飞机上的流线罩[5]；1946年，美国康奈尔(Cornell)航空实验室进行了充气天线罩相关特性研究，制造出直径16.8m的产品原型，两年后安装在美国纽约西部的商业运输港口。随着充气天线罩技术逐渐成熟，1955年，美国陆军订制了数百个这样的天线罩。但是这种充气天线罩在结构强度方面存在不足，无法满足高速飞机或导弹等的刚度需求。1952年，美国再次引领天线罩研究方向；1955年，美国在北极安装了直径16.8m的刚性天线罩，1956年，完成金属桁架天线罩的模拟电信实验，并运用在通信、雷达天线以及哈勃望远镜上。1976年，美国将相位校正透镜技术结合到椭球形天线罩上。由于天线罩在军事领域的重要性，各国对相关技术研究实施严格封锁，难以获得近期国外天线罩的研究进展。
　　国内天线罩的发展*初是通过仿制苏联的歼击机机头罩展开的，逐步开展天线罩的相关性能研究，从少数研究实力强的研究所开始，天线罩使用的玻璃钢/复合材料*早于1958年由北京玻钢院复合材料有限公司(前身是北京玻璃钢研究设计院，即北京二五一厂)研发成功。在天线罩制作方面，中电集团第十四研究所于1963年研制出直径20m的扫频充气天线罩。1965年研制出当时世界上*大的A夹层介质桁架截球罩。此外还生产了小型舰载雷达天线罩、潜艇用的雷达馈源罩以及导弹前端天线罩。上海玻璃钢研究所研制出世界上*大的A夹层玻璃钢天线罩。进入20世纪80年代，我国引进了10多部金属桁架天线罩，分别用于不同的地面雷达站。从那时起，部分研究所开始对变厚度半波长、A夹层、C夹层天线罩进行计算分析，如中航科技集团六三七研究所。近年来，我国天线罩的研制和制造水平有了很大提高，一系列新的技术结合到传统天线罩设计中，如罩壁变厚度的变厚度设计，以及将超材料技术中的频率选择表面(FSS)和超表面概念融入天线罩设计中，有效地提高了天线罩的性能。例如，近年来深圳光启公司所属研究机构在天线罩技术方面的进步备受瞩目。目前，我国已经具备一批专门进行雷达天线罩设计、生产和功能测试的研究所和公司[6]。
　　1.2天线罩的类型和基本电性能参数
　　不同雷达天线的辐射系统和特性不同，使用目的和要求亦不同。天线罩可以根据应用的行业、结构形式和形状进行分类。
　　1.2.1天线罩的应用行业分类
　　天线罩按应用行业分类主要有航空(机载和航天)天线罩、水面天线罩、地基天线罩(充气、壳体结构及空间桁架)三大类。
　　1.航空(机载和航天)天线罩
　　这类天线罩一般为壳体结构，为满足飞行的空气动力学要求，这类天线罩可做成流线型结构。外界入射的电磁波垂直入射天线罩体或大角度入射流线型天线罩体。但是，当天线罩内置的天线向外辐射扫描时，由于入射角变化范围大，天线罩难以得到*佳的透射性能。
　　若天线罩外形为非流线型，设计的罩体外形须是满足一定电磁透波特性的*面，可以是圆柱形、球形或抛物面形。垂直入射天线罩可以获得*佳的电磁透波特性，但代价是力学的气动特性会降低。
　　2.水面天线罩
　　水面天线罩包括舰载和船载。水面天线罩对力学性能的流线型外形要求不高，但对防水、防湿要求很高。
　　3.地基天线罩
　　地基天线罩往往采用球形罩体形式，外形通常是截球形状(约为四分之三的球)，可分为充气罩和刚性罩两类。刚性天线罩又分为壳体结构天线罩和空间桁架天线罩。
　　1)充气天线罩
　　在可充气的球形薄膜的截口四周用压板固定在气密性的平台上，周围用绳索拉紧，或以其他方法固定，内部充气。这类天线罩的壁薄且壁厚均匀，电磁透射性能好，适合宽频带工作；罩体柔软便于折叠，重量轻、体积小，运输、储藏、安装方便。缺点是需要持续向罩内充气，以维持罩体形状和必要的刚性。一旦充气设备发生故障，罩体可能会倒塌，从而损坏天线。美国“电星”(Telstar)雷达天线罩就是充气天线罩，其直径达64.05m(210ft1))[7]。
　　2)壳体结构天线罩
　　通常，罩壁设计为弯*的壳体，由壳体支撑结构载荷。其中，均匀单壁壳体结构出于工作波长和尺寸的考虑，罩子的尺寸受到限制。复合材料具有较低的相对介电常数和损耗角正切值，可用于制作壳体结构，采用较厚的罩壁以满足结构载荷要求，同时对电磁透波特性的影响不大。对于大尺寸的壳体结构天线罩，采用胶接方式，将各个复合材料块拼接成整体外形(如球壳状)。壳体结构天线罩的优点是比强度(强度与密度的比值)和比刚度(弹性模量与密度的比值)大，适用于一定波长的大型地面天线罩。但缺点是工作频带窄，制造工艺复杂，成本较高。
　　3)空间桁架天线罩
　　地基天线罩往往采用球形这一理想的罩体形式，随着尺寸增大，引入支撑介质壳体的金属桁架结构。这些金属(或介质)球形桁架结构和覆盖其上的介质薄板(或薄膜)共同承受结构载荷，在保证力学性能的同时尽量减少对电磁波的遮挡。空间桁架天线罩的优点是适合高频和宽频带工作，制造容易，成本较低，适用于大型地面天线。美国麻省理工学院海斯塔克(Haystack)雷达天线是世界上*大的金属空间桁架天线罩，直径达45.75m(150ft)[8]。但空间桁架结构的金属会对电磁波产生散射，从而对电性能产生一定的影响。
　　1.2.2天线罩的结构分类
　　如今，天线系统形式多样，相应的天线罩根据系统功能和用途的不同，具有不同的外形和结构。根据天线罩内部结构的差异，传统天线罩的罩壁结构形式主
　　1)1ft=3.048×10.1m。
　　要分为单层、A型夹层、B型夹层、C型夹层、多夹层，如图1.2所示。无论采用何种天线罩设计，其*终目标都是实现*佳的电磁波透射特性。
　　图1.2天线罩的罩壁结构形式
　　1.单层实心壁结构
　　单层实心壁结构采用同一种介质材料，如树脂纤维增强叠层复合材料、石英纤维增强氮化物陶瓷基复合材料等。该结构通常分为半波壁和薄壁两种类型，具体的厚度计算将在本书第3章讨论。
　　薄壁类型罩体工作于低波段，具有质轻的优点。薄壁类型天线罩的极化响应、角度稳定性均比较好，但是由于壁厚比较薄，其强度不足的缺点也很明显，不适合在恶劣环境下使用。
　　2.A型夹层结构
　　A型夹层结构是一种蒙皮-夹层-蒙皮类型的对称结构，其中，蒙皮一般选用高介电常数的材料，芯层厚度一般取介质波长的四分之一，为了降低损耗，芯层材料一般选用损耗较低的材料。A型夹层天线罩兼顾半波壁和薄壁结构的电磁透波性能和力学性能，因此，在实际工程中应用比较广泛。
　　3.B型夹层结构
　　B型夹层结构是一种类似于A型夹层的三层结构，但B型夹层的蒙皮一般选用低介电常数的材料，而芯层则选用高介电常数的材料。这种设计可以减小中间芯层(低介电常数材料)的厚度，从而降低透波率的极化响应，B型夹层结构通常与A型夹层结合，用于设计出更复杂层数且具备高透波性能的天线罩。然而，由于B型夹层结构的力学性能不够好，实际工程应用中很少采用B型夹层结构罩体。
　　4.C型夹层结构和多层壁结构
　　C型夹层结构是一种五层结构，基本组成是蒙皮-芯层-蒙皮-芯层-蒙皮，两层芯层可以更好地减小内部对电磁波的反射，C型夹层结构具有大角度入射高透波特性，力学上具有强度高的特性，但由于层数较多，对电磁波相位的影响较大。
　　1)复合多层壁结构
　　由两种以上介电常数的材料交替排列构成的五层以上壁结构，蒙皮层数和芯层层数之和为大于5的奇数，可以看作两个以上三层结构的组合体。复合多层夹层结构能够在较宽的入射角范围内获得好的传输性能，适用于宽频带和多波段工作。然而，这种结构同样会增大入射波的插入相位移。层数越多，带宽越宽，频段越多。
　　2)分级材料罩壁结构
　　分级材料多层罩壁结构(GDM)是由介电常数随指数变化的多层介质平板组合而成，可以实现良好的阻抗匹配和高效传输[9]。图1.3(a)所示为总厚度为2d的n层分级材料，每一层的厚度为2d/n，由*外层到*内层的介电常数依次为ε1，ε2，ε3， ，εrm， ，ε3，ε2，ε1。ε1<ε2<ε3< <εrm(εrm为*大介电常数)，介电常数随着分级材料罩壁结构由外层到内层呈现出由低到高，再到低的变化规律。该结构具有优越的透射性能、相位均匀性和角度不敏感特性。图1.3(b)所示为采用分级材料罩壁结构的变厚度天线罩示意图。
　　图1.3分级材料罩壁结构示意图[9]
　　5.新型天线罩结构
　　随着材料学的发展，天线罩已经不再局限于传统透波材料，飞行器为了减轻载重，需要质量较小的天线罩，逐渐涌现出图1.4所示的高强度蜂窝夹层结构以及