寬頻段真空透波天線罩優化設計

王海東，董長勝，伍 洋，白龍斌

(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

隨著天文領域的發展，天線為了提高宇宙成像能力、降低外界噪聲，工作時必須處于低溫杜瓦系統中。該系統主體為真空環境，內部采用液氮進行制冷[1]。非工作區外殼通常采用鋁合金，提供良好的剛度和較低的放氣率。工作區域需要電磁波穿過天線罩進入天線，用于實現天線對信號的接收與發射[2]。因此，要求該工作區域天線罩既可以在低溫真空環境下工作，又要具有較高的透波率。

常規天線罩僅具備防護雨、雪、風、沙等環境因素對天線的影響[3]，對耐低溫和耐壓都要求不高。但杜瓦系統下的真空透波天線罩則要求在接收和發射信號時，還能承受0.1 MPa的壓力，因此對于天線罩的透波、耐低溫和耐壓都提出了較高的要求。賓峰等[4]針對透波窗口的所用材料、結構進行設計，重點分析了天線罩損耗和噪聲的影響因素，最終采用多層結構實現了Ka頻段損耗<0.2 dB。Jetta等[5]研究了杜瓦系統中不同材料對透波情況的影響。Olsson等[6]研制的真空透波天線罩插損小于0.5 dB(150～1 700 MHz)。Stegman等[7]通過選材、結構設計和仿真分析，研制出L波段的SMAP天線用的真空透波天線罩。已有文獻中表明，現有真空透波天線罩工作頻段較窄，尺寸較小，低溫環境和真空負壓對天線罩的影響不明顯。隨著天文領域應用的不斷擴展，真空透波天線罩向著寬頻段、大尺寸的方向發展。寬頻透波要求原材料的介電常數和損耗低、天線罩具有特殊結構，如薄壁結構，夾層結構等。

本文針對一種寬頻段真空透波天線罩開展相關研究，提出采用C夾層結構的天線罩方案，從天線罩的結構形式、蒙皮厚度、蜂窩厚度、材料選擇等方面進行電氣和力學仿真優化，從而解決寬頻段真空透波天線罩研制中的結構和電氣方面的關鍵問題。

1 天線罩蒙皮性能

1.1 力學性能

為提高寬頻段真空透波天線罩的透波性能，選用石英纖維/氰酸酯復合材料(QC)進行研究。QC具有介電性能優異、力學性能好等優點[8-9]。QC采用預浸料/熱壓罐工藝制備，首先對預浸料進行剪裁(平紋編制，經緯密為1∶1)，按照0°方向鋪疊固化制作復合材料平板，再分別按照GB/T 1447、GB/T 1449 、GB/T 5258制作測試樣條，測試材料的拉伸、彎曲、壓縮強度和模量。不同溫度對QC的力學性能影響如圖1所示。

(a) 溫度對QC強度影響

由圖1可以看出，低溫下，QC拉伸、彎曲和壓縮強度性能最優，隨著溫度降低，拉伸、彎曲和壓縮強度都出現了明顯提升，-60 ℃比120 ℃力學性能提升了約35%。溫度對QC的拉伸、彎曲和壓縮模量影響不大。

1.2 介電性能

材料介電性能通常用介電常數和介質損耗來衡量[10]，主要影響電磁波的反射和透射。2個參數與電磁波穿透材料的損耗密切相關，可表示為[11]：

(1)

式中，ε′r，ε″r分別對應測試結果中復介電常數的實部與虛部。介電常數ε與損耗角正切tanδ如下[11]：

ε=ε′r；tanδ=ε″r/ε′r

(2)

材料介電常數與損耗角正切采用波導法完成測試，測試方案框圖如圖2所示。

圖2 波導法測試方案

在波導腔內插入待測試樣品塊，利用矢量網絡分析儀，獲得端口的S11、S21等參數，通過理論計算獲得材料的介電常數和損耗角正切[12]。

頻率對QC的介電性能影響如圖3所示。

圖3 不同頻率對QC的介電性能影響

QC的介電常數為2.92 ～3.05，隨頻率增加而降低約4.3%。QC的損耗角正切為0.006 6～0.008 4(1～30 GHz)，且隨頻率變化不大。

上述測試表明，QC的介電性能穩定，滿足寬頻段天線罩的使用要求，介電常數和損耗角正切較低，可提高天線罩透波率。

2 結構優化

天線罩按照其結構形式分為單層結構和夾層結構[3]。單層結構天線罩是指僅由一種材料組成，該結構多用于機載和水下天線罩，具有承壓能力強、力學性能穩定、不容易脫粘等優點，但其壁厚較厚，導致天線罩工作頻率低、工作頻段窄、透波率低、質量大等缺點[10-12]。夾層結構可以利用2表層之間電磁波的反射相互抵消作用來保證其良好的透波性。當電磁波由空氣進入夾層時，在各介質層產生反射。當芯層厚度最佳時，內、外蒙皮的反射波幅度相等、相位相反、相互抵消，從而降低了反射波對雷達性能的影響，因此該結構具有工作頻段寬、質量小、透波性能好的優點，按結構組成可分為A，B，C等結構[13-14]。

2.1 單層結構形式

本文設計的寬頻段真空天線罩尺寸為φ580 mm×800 mm，單層結構天線罩有限元模型如圖4所示。有限元模型采用C3D8R六面體實體單元，共有31 108個節點和15 646個單元，采用靜力分析步計算，安裝面連接處設置為六自由度固定約束，在天線罩外表面施加0.1 MPa的均布壓強。

(a) 受力分析

由圖4可以看出在0.1 MPa均壓下天線罩(頂部厚度0.8 mm、側壁厚度1.4 mm)的靜力分析結果。天線罩承受最大應力為48.37 MPa，遠小于材料許用應力；最大變形0.912 6 mm，最大應力和最大變形位置均處于頂部與側面過渡區域，滿足使用要求。

天線罩(頂部厚度0.8 mm，側壁厚度為1.4 mm)承受0.1MPa外部均壓的試驗結果如圖5所示。

圖5 失穩后的真空天線罩

由圖5可以看出,天線罩頂部與側壁連接處發生失穩，不滿足使用要求。這說明薄壁結構天線罩在外部壓強下容易發生失穩，故除靜力分析外，還需對透波罩進行穩定性分析[15-16]。

圖6和圖7顯示天線罩不同部位厚度變化對天線罩失穩的影響。

(a) 側壁厚度對天線罩穩定性影響

(a) 頂部厚度對穩定性影響

由圖6可以看出，隨天線罩側壁厚度的增加，天線罩承受失穩載荷逐漸變大。由圖7可以看出，隨著天線罩頂部厚度的增加，天線罩承受失穩載荷逐漸變大。天線罩承受失穩載荷越大，說明天線罩在內部抽真空的情況下越穩定。

通過上述仿真結果可知，單層結構天線罩破壞形式主要是失穩變形導致破壞。為驗證真空負壓對單層結構天線罩的影響，需進行力學和失穩分析，從而最終確定天線罩壁厚。經上述2方面分析可知，天線罩頂部厚度不應小于0.8 mm，側壁厚度不應小于2.3 mm。

2.2 C夾層結構形式

采用相同分析方法對C夾層寬頻段真空透波天線罩進行經優化。優化后的C夾層結構，前、后蒙皮均為0.5 mm，中間層為0.2 mm，2層蜂窩厚度均選用2.5 mm。

C夾層結構仿真結果如圖8所示。

由圖8可以看出，0.1 MPa外壓作用下，真空透波罩承受最大應力為26.78 MPa，位于天線罩側壁；最大位移為0.37 mm，透波罩在靜壓作用下的剛度強度滿足要求。由穩定性分析可知，優化后的C夾層天線罩可承受0.12 MPa的均壓而不失穩，可滿足真空條件使用要求(0.1 MPa)。C夾層天線罩在內部抽真空時，未發生失穩和壓潰破壞的現象，天線罩整體氣密性能良好。

(a) 靜力分析受力情況

3 電性能優化

天線罩對天線的電氣性能會產生一定影響，主要包括方向圖、透波率和副瓣等[17]。透波率是影響天線罩的關鍵指標，主要與天線罩的壁厚及結構形式有關。

本文重點分析了單層結構和C夾層結構的寬頻段真空復合材料透波天線罩的電氣性能。通過仿真軟件(HFSS)對QC的厚度、蜂窩厚度以及膠膜等影響進行分析，從而選擇最佳罩壁厚度。

單層結構天線罩和C夾層結構天線罩在1～30 GHz透波率如圖9所示。

圖9 天線罩透波特性

由圖9可以看出，隨著頻率的增大，單層結構天線罩和C夾層結構天線罩的插入損耗隨著頻率的增大而越來越大。

單層結構天線罩即半波壁厚度天線罩，其厚度遠小于其帶寬，其壁厚設計[17]：

式中，λ為工作頻段的波長；εr為天線罩用材料的介電常數；θ為電磁波與天線罩的入射角。由上式可知，工作頻率增大，電磁波波長逐漸減小，導致電磁波穿過罩體損耗增大。因此，單層結構的天線罩透波性能隨頻率增大而增大，最大插損為1 dB(透波率為79%)，仿真結果與理論分析一致。

C夾層結構的天線罩可以看成多層介質平板，利用四端口網絡理論分析。根據四端口理論，多層介質平板的電參數結構，可以視為N個四端網絡的級聯，總的轉移矩陣為各分網絡轉移矩陣的乘積[18]：

，

式中，n為多層介質板的總層數。A，B，C，D與原材料的介電常數、損耗角正切和入射角度密切相關。

通過調控各層材料從而實現對天線罩透波率的調節，本文選定QC作為蒙皮材料，通過調節蜂窩厚度實現了天線罩的高透波。C夾層結構透波性能隨頻率增加呈現一定波動，最大插損為0.5 dB(透波率為90%)，且優于單層結構。

4 結束語

本文針對寬頻段真空透波天線罩進行研究，在原材料性能研究的基礎上進行了結構力學和電氣仿真設計及實物測試。研究表明，寬頻段真空透波天線罩破壞形式主要是結構失穩，單層結構的真空透波天線罩側壁較頂部更容易發生失穩，1～30 GHz透波率優于79%；C夾層結構天線罩比單層結構天線罩具有重量輕、透波率高等優點，1～30 GHz透波率優于90%，可承受0.12 MPa壓力不損壞。