Ku波段天线罩的设计

曹江涛，李增科，董长胜，牛传峰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

天线罩是天线设备的重要组成部分，具有透波、抗风和防水等作用。性能优良的天线罩在保证天线性能指标的前提下，可有效防止大风、盐雾和暴雨等恶劣环境对天线的影响和破坏，达到延长天线使用寿命、提高系统可靠性和保障天线全天候工作的目的[1-3]。

常用评价天线罩电磁性能的指标有天线方向图、传输损耗、瞄准误差和瞄准误差斜率等[4-6]。本文从天线罩的透波率这个指标来评价天线罩的性能优劣，该方法仅使用矢量网络分析仪或者标量网络分析仪就可实现，因此容易测量验证[7]。

目前在卫星数据接收地面站、气象雷达站和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[8-10]。随着Ku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[11-12]。目前，常规动中通卫星天线工作频段为Ku波段，增益一般在28 dBW上，在此基础上通过天线罩的方式提高增益对于常规天线罩而言具有较大的挑战[13-18]。为此，针对Ku波段天线罩开展相关研究，从结构形式、罩壁厚度、材料选择工艺方法及电迅性能等几个方面进行了相应探讨。

1 电性能设计

天线罩对天线的电气性能会产生一定影响，电气性能设计主要包括天线罩对天线方向图的影响、天线罩的传输系数和天线罩对天线副瓣的影响。

天线罩的初始法向壁厚基于几何光学、二维射线追踪理论，具体的壁厚设计公式为：

式中，λ为波长；εr为罩体材料的介电常数；θ为入射角。令m=1，即确定了天线罩的半波壁厚设计公式。由此可知，在已知天线的工作频率以及罩体材料的介电常数的前提下，只要确定了入射角便可确定天线罩的初始壁厚。

本文采用复合材料夹层结构，选择低介电常数的材料，基于预浸料热压罐成型工艺合理设计夹层结构形式，选取最优罩壁厚度，降低天线罩的损耗，提高传输效率。

采用仿真软件(HFSS)进行大量的优化设计，合理选择夹层形式及夹层厚度，经过理论计算以及等效板实测结果，选择最佳罩壁厚度。

天线罩使用A夹层结构(如图1所示)，罩体包含2层高强玻纤环氧和1层蜂窝。根据电气指标要求，设计的罩体结构参数为：蜂窝厚度5.8 mm，外表面高强玻纤环氧料厚度0.3 mm，其他层高强玻纤环氧料厚度0.2 mm，罩子总厚度6.3 mm。

图1 天线罩夹层结构示意Fig.1 Sandwich structure of radome

罩体对12～18 GHz电磁波透波率如图2所示，透波率优于93%，均满足指标85%的要求。

图2 天线罩透波特性Fig.2 Transmission property of radome

随着入射角度的增大，天线罩的透波率有所降低，其透波率结果如图3所示，透波率优于93%，均满足指标85%的要求。

图3 天线罩透波特性随入射角度的变化Fig.3 Transmission property of radome at various angles

综合上述仿真结果可知，项目采用的技术方案能够满足项目12～18 GHz频段透波指标要求。

2 结构设计及力学仿真

2.1 结构设计

天线罩包括罩体以及安装法兰，如图4所示。天线罩总长L1=990 mm，宽L2=990 mm，总高度为H=245 mm，壁厚h2=6.4 mm。

图4 天线罩整体Fig.4 Overall structure of radome

2.2 力学仿真

常用的天线罩结构形式主要有薄壁罩和夹层罩2种。夹层罩不论从结构强度还是透波率上都比薄壁罩优越。夹层结构的天线罩通过选择一定厚度的低密度芯层，达到强化结构强度、减轻重量的作用。夹层结构可耐冲击和撞击，其压服冲程高达原始厚度的80%，具有很好的能量吸收效果。夹层结构天线罩的强度、刚度在承受风、雹及其他冲击时比薄壁结构天线罩要可靠的多，在使用寿命上，夹层罩可超过20年以上。因此本天线罩结构采用高强玻纤+蜂窝+高强玻纤的蜂窝夹层结构，按照实际生产工艺中复合材料的铺层方法完成材料属性坐标系的定义。

其中计算出蜂窝夹层结构的等效性能参数如表1所示。

表1 力学仿真参数Tab.1 Parameters of mechanical simulation

等效性能参数值密度/(g·cm-3)1.971 25弹性模量E1/MPa1 968.75弹性模量E2/MPa1 875弹性模量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拉伸强度/MPa63.10压缩强度/MPa39.66层间剪切强度/MPa6.6

2.2.1 振动分析

依据GJB150.16A-2009/GJB150.18A-2009振动、冲击试验方法和载车平台行业标准IEC61373 2010，验证全状态下样机的振动冲击试验。在天线罩结构下端螺孔处施加3个方向均约束的固定边界条件，通过上述振动加速度作用下的仿真结果可以发现，3种工况下天线罩结构的应力水平和产生的位移都很小，即不会发生失效破坏。振动分析的仿真结果如图5所示。

图5 振动分析的仿真结果Fig.5 Simulation results of vibration analysis

2.2.2 冲击分析结果

冲击作用分析的仿真结果如图6所示。在11 ms的半正弦脉冲作用下，加速度峰值为20 g，设置为动力显式分析步，其边界条件为：在施加某方向的冲击加速度时，放开该方向的约束，并固定其他2个方向的位移自由度。

通过上述分析结果可以明显发现，在3个方向冲击作用下天线罩结构的应力水平很低，所以不会发生失效破坏。

图6 冲击作用分析的仿真结果Fig.6 Simulation result of impact action analysis

3 工艺设计

复合材料成型相对比较复杂，随着各种新工艺、新技术的出现，复合材料制造工艺已成为复合材料加工制造的关键，涵盖的技术面广、技术含量高，工艺成本份额在总成本中占据了很大的比重。

目前地面雷达天线罩生产中多采用开模手糊成型法，传统的手糊成型工艺存在铺放、含胶量控制、配方的一致性、固化环境及固化状态等一系列的问题，要想保证罩体电气的均匀性难度很大。本项目采用热压罐成型技术，可以更好地满足制品的均匀性，产品孔隙率低。根据天线罩设计要求，制定了如图7所示的工艺流程。

图7 天线罩热压罐成型制备工艺流程Fig.7 Process flow chart of radome autoclave molding and fabrication

在天线罩制备过程中，通过对蒙皮和蜂窝铺贴角度、排布方式的严格控制，确保罩体结构上和尺寸上的均匀性和准确性。采用2步法成型，将蜂窝和后蒙皮的胶粘工序合并，大幅度提高效率，降低生产成本。

天线罩壳体蒙皮为高透波纤维复合材料，考虑复合材料的“低线胀系数”设计原理和“各向同性”的设计原则，蒙皮铺层采用等层间角度间隔设计方案，为“旋转式”铺层。芯材采用模具预固化成型，由于与蒙皮采用同一模具，其与蒙皮贴合好，圆角和平面过渡自然。在芯材之上铺设预浸料材料进行固化，在固化过程中，芯材能够承受预浸料固化的压力，使层板完全固化；同时由于芯材采用模具预固化成型，因此构件与模具贴合良好，确保了层合板的成型质量，极大地提高了天线罩表面平整度。

4 结束语

针对Ku波段天线罩进行了电气仿真设计、力学仿真验证以及工艺设计，最终确定采用蜂窝夹层结构，其中蜂窝厚度5.8 mm，外表面高强玻纤环氧料厚度0.3 mm，其他层高强玻纤环氧料厚度0.2 mm，罩子总厚度6.3 mm。罩体对12～18 GHz电磁波透波率优于93%，均满足指标85%的要求，通过振动和冲击仿真分析，结果满足环境指标的要求。