Ku波段天線罩的設計

曹江濤，李增科，董長勝，牛傳峰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

天線罩是天線設備的重要組成部分，具有透波、抗風和防水等作用。性能優良的天線罩在保證天線性能指標的前提下，可有效防止大風、鹽霧和暴雨等惡劣環境對天線的影響和破壞，達到延長天線使用壽命、提高系統可靠性和保障天線全天候工作的目的[1-3]。

常用評價天線罩電磁性能的指標有天線方向圖、傳輸損耗、瞄準誤差和瞄準誤差斜率等[4-6]。本文從天線罩的透波率這個指標來評價天線罩的性能優劣，該方法僅使用矢量網絡分析儀或者標量網絡分析儀就可實現，因此容易測量驗證[7]。

目前在衛星數據接收地面站、氣象雷達站和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[8-10]。隨著Ku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[11-12]。目前，常規動中通衛星天線工作頻段為Ku波段，增益一般在28 dBW上，在此基礎上通過天線罩的方式提高增益對于常規天線罩而言具有較大的挑戰[13-18]。為此，針對Ku波段天線罩開展相關研究，從結構形式、罩壁厚度、材料選擇工藝方法及電迅性能等幾個方面進行了相應探討。

1 電性能設計

天線罩對天線的電氣性能會產生一定影響，電氣性能設計主要包括天線罩對天線方向圖的影響、天線罩的傳輸系數和天線罩對天線副瓣的影響。

天線罩的初始法向壁厚基于幾何光學、二維射線追蹤理論，具體的壁厚設計公式為：

式中，λ為波長；εr為罩體材料的介電常數；θ為入射角。令m=1，即確定了天線罩的半波壁厚設計公式。由此可知，在已知天線的工作頻率以及罩體材料的介電常數的前提下，只要確定了入射角便可確定天線罩的初始壁厚。

本文采用復合材料夾層結構，選擇低介電常數的材料，基于預浸料熱壓罐成型工藝合理設計夾層結構形式，選取最優罩壁厚度，降低天線罩的損耗，提高傳輸效率。

采用仿真軟件(HFSS)進行大量的優化設計，合理選擇夾層形式及夾層厚度，經過理論計算以及等效板實測結果，選擇最佳罩壁厚度。

天線罩使用A夾層結構(如圖1所示)，罩體包含2層高強玻纖環氧和1層蜂窩。根據電氣指標要求，設計的罩體結構參數為：蜂窩厚度5.8 mm，外表面高強玻纖環氧料厚度0.3 mm，其他層高強玻纖環氧料厚度0.2 mm，罩子總厚度6.3 mm。

圖1 天線罩夾層結構示意Fig.1 Sandwich structure of radome

罩體對12～18 GHz電磁波透波率如圖2所示，透波率優于93%，均滿足指標85%的要求。

圖2 天線罩透波特性Fig.2 Transmission property of radome

隨著入射角度的增大，天線罩的透波率有所降低，其透波率結果如圖3所示，透波率優于93%，均滿足指標85%的要求。

圖3 天線罩透波特性隨入射角度的變化Fig.3 Transmission property of radome at various angles

綜合上述仿真結果可知，項目采用的技術方案能夠滿足項目12～18 GHz頻段透波指標要求。

2 結構設計及力學仿真

2.1 結構設計

天線罩包括罩體以及安裝法蘭，如圖4所示。天線罩總長L1=990 mm，寬L2=990 mm，總高度為H=245 mm，壁厚h2=6.4 mm。

圖4 天線罩整體Fig.4 Overall structure of radome

2.2 力學仿真

常用的天線罩結構形式主要有薄壁罩和夾層罩2種。夾層罩不論從結構強度還是透波率上都比薄壁罩優越。夾層結構的天線罩通過選擇一定厚度的低密度芯層，達到強化結構強度、減輕重量的作用。夾層結構可耐沖擊和撞擊，其壓服沖程高達原始厚度的80%，具有很好的能量吸收效果。夾層結構天線罩的強度、剛度在承受風、雹及其他沖擊時比薄壁結構天線罩要可靠的多，在使用壽命上，夾層罩可超過20年以上。因此本天線罩結構采用高強玻纖+蜂窩+高強玻纖的蜂窩夾層結構，按照實際生產工藝中復合材料的鋪層方法完成材料屬性坐標系的定義。

其中計算出蜂窩夾層結構的等效性能參數如表1所示。

表1 力學仿真參數Tab.1 Parameters of mechanical simulation

等效性能參數值密度/(g·cm-3)1.971 25彈性模量E1/MPa1 968.75彈性模量E2/MPa1 875彈性模量E3/MPa130.32泊松比0.16剪切模量G12/MPa384.375剪切模量G23/MPa63.45剪切模量G13/MPa63.45拉伸強度/MPa63.10壓縮強度/MPa39.66層間剪切強度/MPa6.6

2.2.1 振動分析

依據GJB150.16A-2009/GJB150.18A-2009振動、沖擊試驗方法和載車平臺行業標準IEC61373 2010，驗證全狀態下樣機的振動沖擊試驗。在天線罩結構下端螺孔處施加3個方向均約束的固定邊界條件，通過上述振動加速度作用下的仿真結果可以發現，3種工況下天線罩結構的應力水平和產生的位移都很小，即不會發生失效破壞。振動分析的仿真結果如圖5所示。

圖5 振動分析的仿真結果Fig.5 Simulation results of vibration analysis

2.2.2 沖擊分析結果

沖擊作用分析的仿真結果如圖6所示。在11 ms的半正弦脈沖作用下，加速度峰值為20 g，設置為動力顯式分析步，其邊界條件為：在施加某方向的沖擊加速度時，放開該方向的約束，并固定其他2個方向的位移自由度。

通過上述分析結果可以明顯發現，在3個方向沖擊作用下天線罩結構的應力水平很低，所以不會發生失效破壞。

圖6 沖擊作用分析的仿真結果Fig.6 Simulation result of impact action analysis

3 工藝設計

復合材料成型相對比較復雜，隨著各種新工藝、新技術的出現，復合材料制造工藝已成為復合材料加工制造的關鍵，涵蓋的技術面廣、技術含量高，工藝成本份額在總成本中占據了很大的比重。

目前地面雷達天線罩生產中多采用開模手糊成型法，傳統的手糊成型工藝存在鋪放、含膠量控制、配方的一致性、固化環境及固化狀態等一系列的問題，要想保證罩體電氣的均勻性難度很大。本項目采用熱壓罐成型技術，可以更好地滿足制品的均勻性，產品孔隙率低。根據天線罩設計要求，制定了如圖7所示的工藝流程。

圖7 天線罩熱壓罐成型制備工藝流程Fig.7 Process flow chart of radome autoclave molding and fabrication

在天線罩制備過程中，通過對蒙皮和蜂窩鋪貼角度、排布方式的嚴格控制，確保罩體結構上和尺寸上的均勻性和準確性。采用2步法成型，將蜂窩和后蒙皮的膠粘工序合并，大幅度提高效率，降低生產成本。

天線罩殼體蒙皮為高透波纖維復合材料，考慮復合材料的“低線脹系數”設計原理和“各向同性”的設計原則，蒙皮鋪層采用等層間角度間隔設計方案，為“旋轉式”鋪層。芯材采用模具預固化成型，由于與蒙皮采用同一模具，其與蒙皮貼合好，圓角和平面過渡自然。在芯材之上鋪設預浸料材料進行固化，在固化過程中，芯材能夠承受預浸料固化的壓力，使層板完全固化；同時由于芯材采用模具預固化成型，因此構件與模具貼合良好，確保了層合板的成型質量，極大地提高了天線罩表面平整度。

4 結束語

針對Ku波段天線罩進行了電氣仿真設計、力學仿真驗證以及工藝設計，最終確定采用蜂窩夾層結構，其中蜂窩厚度5.8 mm，外表面高強玻纖環氧料厚度0.3 mm，其他層高強玻纖環氧料厚度0.2 mm，罩子總厚度6.3 mm。罩體對12～18 GHz電磁波透波率優于93%，均滿足指標85%的要求，通過振動和沖擊仿真分析，結果滿足環境指標的要求。