高頻段天線罩的建模與計算分析*

向亞麗　徐　慨　黃麟舒

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

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高頻段天線罩的建模與計算分析*

向亞麗徐慨黃麟舒

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

摘要天線罩是基于天線偽裝的需要[10]。設(shè)計理想的天線罩，對維持天線在最大增益條件下對天線進(jìn)行有效的保護(hù)和電磁偽裝，甚至對天線的某些性能進(jìn)行改善具有極其重要的意義[1]。論文介紹了某L～S波段天線罩的研制過程，利用三維制圖軟件Solid Works 對球狀天線罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計，再將圖形導(dǎo)入天線分析軟件FEKO對天線罩進(jìn)行電磁特性分析，測定該波段內(nèi)的電磁波在穿過某種典型媒質(zhì)半波長夾層時插入損耗和透波系數(shù)[4]。

關(guān)鍵詞天線罩; 插入損耗; 透波系數(shù); Solid Works建模; FEKO仿真

Class NumberO141.4

1　引言

天線罩是保護(hù)天線和整個微波系統(tǒng)(包括雷達(dá)和通信系統(tǒng))免受環(huán)境影響的外殼，是由天然或人造電介質(zhì)材料制成的覆蓋物，或是由桁架支撐的電介質(zhì)殼體構(gòu)成的特殊形狀的電磁窗口[7]。天線罩的典型設(shè)計的任務(wù)在于通過天線罩自身的結(jié)構(gòu)調(diào)整，把對天線理想性能的影響降至最低限度，甚至改善天線的某些性能[2]。Solid Works是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，F(xiàn)EKO軟件是一款強(qiáng)大的三維全波電磁仿真軟件，基于強(qiáng)大的求解器，囊括了天線分析的各項(xiàng)內(nèi)容，其在電磁仿真分析領(lǐng)域尤其是電大尺寸問題的分析方面優(yōu)勢突出。

隨著我海軍的不斷壯大，對遠(yuǎn)程精密跟蹤測量雷達(dá)等高精度和高增益天線的研究與制造已成為緊迫任務(wù)。配備大型天線罩成為這些天線必不可少的要求。本文運(yùn)用Solid Works設(shè)計了一款球半徑為5.3m的天線罩，并仿真測試其電性能。

2　天線罩的建模

大型天線罩從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上分為空間桁架式天線罩和薄殼式天線罩。空間桁架式天線罩采用自行式支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，適用于大型的天線結(jié)構(gòu)；采用薄殼結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)天線罩的寬頻化，薄殼結(jié)構(gòu)一般指天線罩壁厚小于波長的1/20，由于厚度較小，只能在對力學(xué)性能要求不高的場合[2]。

2.1材料體系

2.1.1蒙皮材料

1) E玻璃纖維布

E玻璃纖維布是一種硼硅酸鹽玻璃，具有良好的電氣性能和機(jī)械性能，其物理性能如表1所示。

表1　E玻璃纖維的物理性能

2) 不飽和聚酯樹脂

不飽和聚酯樹脂在固化過程中沒有揮發(fā)物逸出，能常溫常壓成型，具有很高的固化反應(yīng)能力，施工方便。此外，還具有一定的耐蝕性，其物理性能如表2所示。

表2　不飽和聚酯樹脂的物理性能

3) E玻璃纖維增強(qiáng)的聚酯玻璃鋼[3]

表3　聚酯玻璃鋼性能指標(biāo)參數(shù)

本天線罩的蒙皮是以不飽和聚酯樹脂作為粘結(jié)劑，以無堿玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料制成的玻璃鋼。其主要特點(diǎn)是比重輕、強(qiáng)度高、質(zhì)地堅固，比其強(qiáng)度與高級合金鋼相仿甚至超過，成型工藝簡單。

2.1.2夾芯材料

作為孔隙材料，芯材可以起到減輕結(jié)構(gòu)重量，增加結(jié)構(gòu)剛度，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等作用。本罩結(jié)構(gòu)選用的泡沫夾芯材料是聚氯乙烯(PVC)及聚氨酯泡沫(PUR)。交聯(lián)PVC泡沫夾芯的綜合性能，特別是介電性能和力學(xué)性能優(yōu)于PUR泡沫，表4為兩種芯層材料的性能。

表4　PVC/PUR泡沫的主要性能

2.2天線罩的造型

天線罩針對不同的頻段都有相應(yīng)的設(shè)計厚度，天線罩的結(jié)構(gòu)形式及其壁厚與其保護(hù)的雷達(dá)的工作頻率有關(guān)[6]。電磁波在罩壁的反射率可以用相應(yīng)的平板公式來估算，使單一材料平板的厚度等于電磁波在平板材料中半波長λ8/2的整數(shù)倍[3]即

d=λ8/2，2(λ8/2)，3(λ8/2)…

(1)

其中，ε為平板材料的介電常數(shù)，λ為電磁波/波長，λ8為電磁波在平板中的波長。最佳透波性能是一定的。由式(1)，在頻率為1.6GHz的情況下，天線罩的壁厚應(yīng)當(dāng)設(shè)定為4.89mm。

為了便于施工運(yùn)輸，大型空間桁架天線罩都分割成便于施工的結(jié)構(gòu)形式。通過Solid Works軟件建模對天線罩結(jié)構(gòu)的球面劃分進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，將會提高設(shè)計者在天線罩的球面劃分設(shè)計階段的工作效率。對于比較大型的天線罩，單元的尺寸相對較大不便于單元板塊的制造生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝[7]。

利用Solid Works繪圖軟件對天線罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。采用多邊形結(jié)合的方法對天線罩的球面進(jìn)行劃分，按照五邊形和五邊形不相鄰的原則，在五邊形周圍插入五個六邊形。本文中主要研究頻率為1.4GHz～1.9GHz，以玻璃纖維布E為例，厚度為0.489mm，在設(shè)計過程中為了加快導(dǎo)入FEKO后的計算速度，將所有尺寸都縮小100倍。如表5所示。

表5　多邊形尺寸表

由于要設(shè)計成球體，一般每個模塊不會是平面作品，需要有一定的曲率彎曲，避免計算的時候造成密封性能差等影響，故采用比較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)切除法，以保證整體為球型的情況下對實(shí)體進(jìn)行模塊分割。

打開Solid Works，新建零件繪制多邊形，在出現(xiàn)的菜單中選擇插入—曲面—平面區(qū)域，然后選中繪制的多邊形，這樣多邊形即變成了一個個實(shí)體的平面。將各個頂點(diǎn)進(jìn)行一一配合，對零件進(jìn)行裝配。使五邊形與六邊形的中心延長線相交。點(diǎn)擊裝配體中的參考幾何體，找出天線罩的中心。點(diǎn)擊編輯—外觀—材質(zhì)，將材質(zhì)全部設(shè)置為普通玻璃纖維E。點(diǎn)擊評估—間隙驗(yàn)證，對每一個面進(jìn)行間隙驗(yàn)證，只要間隙大于0.01mm的面都標(biāo)注，并進(jìn)行重新裝配。點(diǎn)擊評估—干涉檢查，檢查每個模塊單獨(dú)對外干涉情況，若有非重合面出現(xiàn)則立即進(jìn)行修正

圖1～圖3為天線罩三視圖的三維圖像。

圖1　俯視圖

圖2　仰視圖

圖3　前視圖

3　基于FEKO的天線罩性能分析

計算天線罩對天線性能的影響，實(shí)際上是一個天線與天線罩綜合體的一體化分析問題[4]。本文重點(diǎn)討論天線在加天線罩前后插入損耗和透波系數(shù)變化對比，光滑球狀天線罩與自主分塊式天線罩對比的損耗值。

3.1建立喇叭天線

建立喇叭模型。一般設(shè)計天線模型，都必須考慮遠(yuǎn)磁場的情況。設(shè)置好材料特性以及邊界條件，定義端口，然后檢查運(yùn)行，最后求解分析。

3.2自主設(shè)計天線罩的天線性能分析

導(dǎo)入文件，在FEKO中導(dǎo)入Solid Works文件，且在測量之前先對天線罩的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，并在每個模塊區(qū)域中設(shè)置材質(zhì)屬性[8]。運(yùn)行仿真結(jié)果圖4～圖7。

從圖4，圖5中可以看出球狀天線罩對整個天線系統(tǒng)的插入損耗以及透波系數(shù)，隨著頻率的升高其插入損耗呈不規(guī)則變化，但總體呈現(xiàn)升高的趨勢，透波系數(shù)?0.9，表示該天線罩在該方向上的透波性能優(yōu)良，但是這并不代表著天線罩整體性能優(yōu)良。

圖4　各材質(zhì)下的天線罩的插入損耗

圖5　各材質(zhì)下天線罩的透波系數(shù)

圖6　各材質(zhì)下的副瓣大小

圖7　加罩前后天線的增益

圖8頻率為1.4GHz時的加罩方向圖圖9頻率為1.9GHz時的加罩方向圖

從圖8、圖9可以看出，即使抬高了透波系數(shù)，0°方向上的方向系數(shù)增大，但在天線下方的副瓣愈發(fā)的明顯增多，且隨著頻率的增高，副瓣越來越大。如圖6不同材質(zhì)下，隨著頻率的升高，副瓣大小也呈現(xiàn)出不同變化。副瓣形成造成能量損失，隨著頻段升高，能量損失越嚴(yán)重。

4　結(jié)語

設(shè)計制作的L～S波段天線罩，其電性能在1.4GHz～1.9GHz波段內(nèi)完全滿足技術(shù)要求。加天線罩后，天線的方向性增強(qiáng)，對空通信較之前有一定的提高。天線罩對于天線的意義重大，對于海軍而言，是一項(xiàng)重大突破點(diǎn)。在未來的海戰(zhàn)中，需要更加精確可靠的天線來控制戰(zhàn)場局勢，只有更快，更準(zhǔn)，才能贏得現(xiàn)代化信息化戰(zhàn)場。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月7日,修回日期：2015年11月26日

作者簡介：向亞麗，女，碩士研究生，研究方向：微波/毫米波系統(tǒng)理論。徐慨，男，副教授,研究方向：衛(wèi)星通信和微波通信。黃麟舒，女，博士，研究方向：微波通信。

中圖分類號O141.4

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.025

High Frequency Modeling and Calculation Analysis of Radome

XIANG YaliXU KaiHUANG Linshu

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractRadome is based on the antenna need in disguise. Designing an ideal radome to maintain the antenna under the condition of the maximum gain of antenna for effective protection and electromagnetic camouflage, even some performance improvements of antenna has the extremely vital significance. This paper introduces the process of the development of a L～S band radome is introduced, 3D graphics software Solid Works is used to design the spherical radome’s structure, then software FEKO graphics is used to analyze the electromagnetic characteristics of antenna radome, the loss and the wavelet coefficients of the electromagnetic wave in the half wave through a typieal medium interlining are measured.

Key Wordsradome, insert loss, wavelet coefficients, SolidWorks modeling, FEKO simulation