高频段天线罩的建模与计算分析*

向亚丽　徐　慨　黄麟舒

(海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)



高频段天线罩的建模与计算分析*

向亚丽徐慨黄麟舒

(海军工程大学电子工程学院武汉430033)

摘要天线罩是基于天线伪装的需要[10]。设计理想的天线罩，对维持天线在最大增益条件下对天线进行有效的保护和电磁伪装，甚至对天线的某些性能进行改善具有极其重要的意义[1]。论文介绍了某L～S波段天线罩的研制过程，利用三维制图软件Solid Works 对球状天线罩的结构进行三维设计，再将图形导入天线分析软件FEKO对天线罩进行电磁特性分析，测定该波段内的电磁波在穿过某种典型媒质半波长夹层时插入损耗和透波系数[4]。

关键词天线罩; 插入损耗; 透波系数; Solid Works建模; FEKO仿真

Class NumberO141.4

1　引言

天线罩是保护天线和整个微波系统(包括雷达和通信系统)免受环境影响的外壳，是由天然或人造电介质材料制成的覆盖物，或是由桁架支撑的电介质壳体构成的特殊形状的电磁窗口[7]。天线罩的典型设计的任务在于通过天线罩自身的结构调整，把对天线理想性能的影响降至最低限度，甚至改善天线的某些性能[2]。Solid Works是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，FEKO软件是一款强大的三维全波电磁仿真软件，基于强大的求解器，囊括了天线分析的各项内容，其在电磁仿真分析领域尤其是电大尺寸问题的分析方面优势突出。

随着我海军的不断壮大，对远程精密跟踪测量雷达等高精度和高增益天线的研究与制造已成为紧迫任务。配备大型天线罩成为这些天线必不可少的要求。本文运用Solid Works设计了一款球半径为5.3m的天线罩，并仿真测试其电性能。

2　天线罩的建模

大型天线罩从结构特点上分为空间桁架式天线罩和薄壳式天线罩。空间桁架式天线罩采用自行式支撑结构设计，适用于大型的天线结构；采用薄壳结构可以实现天线罩的宽频化，薄壳结构一般指天线罩壁厚小于波长的1/20，由于厚度较小，只能在对力学性能要求不高的场合[2]。

2.1材料体系

2.1.1蒙皮材料

1) E玻璃纤维布

E玻璃纤维布是一种硼硅酸盐玻璃，具有良好的电气性能和机械性能，其物理性能如表1所示。

表1　E玻璃纤维的物理性能

2) 不饱和聚酯树脂

不饱和聚酯树脂在固化过程中没有挥发物逸出，能常温常压成型，具有很高的固化反应能力，施工方便。此外，还具有一定的耐蚀性，其物理性能如表2所示。

表2　不饱和聚酯树脂的物理性能

3) E玻璃纤维增强的聚酯玻璃钢[3]

表3　聚酯玻璃钢性能指标参数

本天线罩的蒙皮是以不饱和聚酯树脂作为粘结剂，以无碱玻璃纤维布作为增强材料制成的玻璃钢。其主要特点是比重轻、强度高、质地坚固，比其强度与高级合金钢相仿甚至超过，成型工艺简单。

2.1.2夹芯材料

作为孔隙材料，芯材可以起到减轻结构重量，增加结构刚度，提高结构强度等作用。本罩结构选用的泡沫夹芯材料是聚氯乙烯(PVC)及聚氨酯泡沫(PUR)。交联PVC泡沫夹芯的综合性能，特别是介电性能和力学性能优于PUR泡沫，表4为两种芯层材料的性能。

表4　PVC/PUR泡沫的主要性能

2.2天线罩的造型

天线罩针对不同的频段都有相应的设计厚度，天线罩的结构形式及其壁厚与其保护的雷达的工作频率有关[6]。电磁波在罩壁的反射率可以用相应的平板公式来估算，使单一材料平板的厚度等于电磁波在平板材料中半波长λ8/2的整数倍[3]即

d=λ8/2，2(λ8/2)，3(λ8/2)…

(1)

其中，ε为平板材料的介电常数，λ为电磁波/波长，λ8为电磁波在平板中的波长。最佳透波性能是一定的。由式(1)，在频率为1.6GHz的情况下，天线罩的壁厚应当设定为4.89mm。

为了便于施工运输，大型空间桁架天线罩都分割成便于施工的结构形式。通过Solid Works软件建模对天线罩结构的球面划分进行参数化设计，将会提高设计者在天线罩的球面划分设计阶段的工作效率。对于比较大型的天线罩，单元的尺寸相对较大不便于单元板块的制造生产、运输和安装[7]。

利用Solid Works绘图软件对天线罩的结构进行设计。采用多边形结合的方法对天线罩的球面进行划分，按照五边形和五边形不相邻的原则，在五边形周围插入五个六边形。本文中主要研究频率为1.4GHz～1.9GHz，以玻璃纤维布E为例，厚度为0.489mm，在设计过程中为了加快导入FEKO后的计算速度，将所有尺寸都缩小100倍。如表5所示。

表5　多边形尺寸表

由于要设计成球体，一般每个模块不会是平面作品，需要有一定的曲率弯曲，避免计算的时候造成密封性能差等影响，故采用比较复杂的旋转切除法，以保证整体为球型的情况下对实体进行模块分割。

打开Solid Works，新建零件绘制多边形，在出现的菜单中选择插入—曲面—平面区域，然后选中绘制的多边形，这样多边形即变成了一个个实体的平面。将各个顶点进行一一配合，对零件进行装配。使五边形与六边形的中心延长线相交。点击装配体中的参考几何体，找出天线罩的中心。点击编辑—外观—材质，将材质全部设置为普通玻璃纤维E。点击评估—间隙验证，对每一个面进行间隙验证，只要间隙大于0.01mm的面都标注，并进行重新装配。点击评估—干涉检查，检查每个模块单独对外干涉情况，若有非重合面出现则立即进行修正

图1～图3为天线罩三视图的三维图像。

图1　俯视图

图2　仰视图

图3　前视图

3　基于FEKO的天线罩性能分析

计算天线罩对天线性能的影响，实际上是一个天线与天线罩综合体的一体化分析问题[4]。本文重点讨论天线在加天线罩前后插入损耗和透波系数变化对比，光滑球状天线罩与自主分块式天线罩对比的损耗值。

3.1建立喇叭天线

建立喇叭模型。一般设计天线模型，都必须考虑远磁场的情况。设置好材料特性以及边界条件，定义端口，然后检查运行，最后求解分析。

3.2自主设计天线罩的天线性能分析

导入文件，在FEKO中导入Solid Works文件，且在测量之前先对天线罩的材质进行设定，并在每个模块区域中设置材质属性[8]。运行仿真结果图4～图7。

从图4，图5中可以看出球状天线罩对整个天线系统的插入损耗以及透波系数，随着频率的升高其插入损耗呈不规则变化，但总体呈现升高的趋势，透波系数≻0.9，表示该天线罩在该方向上的透波性能优良，但是这并不代表着天线罩整体性能优良。

图4　各材质下的天线罩的插入损耗

图5　各材质下天线罩的透波系数

图6　各材质下的副瓣大小

图7　加罩前后天线的增益

图8频率为1.4GHz时的加罩方向图图9频率为1.9GHz时的加罩方向图

从图8、图9可以看出，即使抬高了透波系数，0°方向上的方向系数增大，但在天线下方的副瓣愈发的明显增多，且随着频率的增高，副瓣越来越大。如图6不同材质下，随着频率的升高，副瓣大小也呈现出不同变化。副瓣形成造成能量损失，随着频段升高，能量损失越严重。

4　结语

设计制作的L～S波段天线罩，其电性能在1.4GHz～1.9GHz波段内完全满足技术要求。加天线罩后，天线的方向性增强，对空通信较之前有一定的提高。天线罩对于天线的意义重大，对于海军而言，是一项重大突破点。在未来的海战中，需要更加精确可靠的天线来控制战场局势，只有更快，更准，才能赢得现代化信息化战场。

参 考 文 献

[1] 金勇.天线罩在地面天线系统中的应用[D].西安：中国电子科技出版社，2005：4-5.

[2] 张锦.大型天线罩的结构分析[D].西安：西安电子科技大学出版社，2007：9-24.

[3] 李义全，王继艳，王海龙.高频段透波玻璃钢天线罩性能的研究[J].北京：北京玻钢院复合材料有限公司，2011：42-43.

[4] 郭景丽.全向宽带天线及天线罩电磁特性研究[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005：37-50.

[5] 唐亮，王贵军，孙宝华.Ka～Ku波段地面雷达天线罩应用展望及设计要点[J].纤维复合材料，2008(3)：11-14.

[6] 张家林，林周进.某Ka波段天线罩的设计[M].北京:中国电子科技出版社，2013：60-63.

[7] 阎宏涛.大型天线罩的结构工程研究[D].西安,2007:56-61.

[8] 闫照文，苏东林，袁晓梅.FEKO 5.4电磁场分析技术与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社，2008：60-64.

[9] 何小祥，丁卫平，刘建霞.工程电磁场[M].北京:电子工业出版社，2011：45-58.

[10] 夏彬，冯军.地面卫星站天线罩技术[J].解放军理工大学学报，2004，5(5)：26-29.

*收稿日期：2015年10月7日,修回日期：2015年11月26日

作者简介：向亚丽，女，硕士研究生，研究方向：微波/毫米波系统理论。徐慨，男，副教授,研究方向：卫星通信和微波通信。黄麟舒，女，博士，研究方向：微波通信。

中图分类号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