基于物理光学法的天线罩电磁性能分析

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天线罩是保护罩内天线或天线阵免受外界复杂自然环境侵蚀的壳体结构。它将地面基站天线、机载天线、卫星通信天线等天线系统与外界复杂自然环境提供物理隔离,在一定程度上延长了天线的寿命。此外,在使用伪装涂层等情况下,天线罩对天线能起到隐蔽作用。现代天线罩的作用不仅在于保护天线的结构,还能解决许多特殊的问题。对于天线工作频带之外的电磁波,天线罩会将入射平面波扩散到非来波方向或其他方向,降低来波方向的回波。宽带隐身机载天线罩与机载有源相控阵配合,降低了天线的RCS,有效躲避地面和机载预警雷达网络的截击。经过特殊加强设计的天线罩,甚至有抗轰炸的功能,在核战争环境钟能使设备免受或少受热辐射、射线的直接伤害。天线罩本身还可以做成漂亮的工艺品,美化天线罩被设计成大树、路灯等物体,与周围环境相和谐,缓解了居民对安装基站天线的抵触情绪。天线罩在技术上有诸多矛盾,它不仅要求在外形上保持空气动力学性能,需满足结构强度和刚度,还要满足电磁性能的需求。本文采用物理光学法来分析天线罩的电磁性能。以对称振子矩形平面阵列-单层半球罩和角锥喇叭天线-A夹层半椭球罩为例,计算了天线罩的电磁性能参数,比如透波率、瞄准误差、反射瓣等。主要研究工作如下:首先,用感应电动势法计算了对称振子天线的近场,得到半球罩内表面上的入射场。然后,利用传输矩阵法计算介质的传输系数和反射系数,考虑传输系数的切向相位,理论上证明了与多次反射叠加公式的一致性。将入射波分解为平行极化和垂直极化分量,可得到透过天线罩的传输场和罩内的反射场。对于天线罩外表面的传输场,根据等效原理,在求解等效电磁流后,作表面积分得到加罩方向图,即直射瓣。对于罩内反射场,作口径积分,得到二次入射场和二次反射场,再次透过天线罩在远区产生辐射,得到反射瓣。基于迭代方法,求解总反射瓣。反射波瓣与直射波瓣矢量叠加得到加罩总波瓣。计算得到的加罩对称振子矩形平面阵列与角锥喇叭天线的增益方向图与电磁仿真软件FEKO的结果吻合,证明了算法的正确性。讨论了网格剖分尺寸对算法收敛性的影响,当面元尺寸小于四分之一波长时满足采样准则。最后,分析了迭代次数、对称振子阵列的扫描角、喇叭天线口径高度等参数对反射瓣功率电平的影响。结果表明,迭代两次以上时,总反射瓣收敛,计算精度更高。天线的扫描角增大时,反射瓣功率电平峰值增大。天线与天线罩之间的距离变小时,反射瓣增强,导致加罩波瓣的主瓣出现凹陷,透波率降低。
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