宽频段真空透波天线罩优化设计

王海东，董长胜，伍 洋，白龙斌

(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

随着天文领域的发展，天线为了提高宇宙成像能力、降低外界噪声，工作时必须处于低温杜瓦系统中。该系统主体为真空环境，内部采用液氮进行制冷[1]。非工作区外壳通常采用铝合金，提供良好的刚度和较低的放气率。工作区域需要电磁波穿过天线罩进入天线，用于实现天线对信号的接收与发射[2]。因此，要求该工作区域天线罩既可以在低温真空环境下工作，又要具有较高的透波率。

常规天线罩仅具备防护雨、雪、风、沙等环境因素对天线的影响[3]，对耐低温和耐压都要求不高。但杜瓦系统下的真空透波天线罩则要求在接收和发射信号时，还能承受0.1 MPa的压力，因此对于天线罩的透波、耐低温和耐压都提出了较高的要求。宾峰等[4]针对透波窗口的所用材料、结构进行设计，重点分析了天线罩损耗和噪声的影响因素，最终采用多层结构实现了Ka频段损耗<0.2 dB。Jetta等[5]研究了杜瓦系统中不同材料对透波情况的影响。Olsson等[6]研制的真空透波天线罩插损小于0.5 dB(150～1 700 MHz)。Stegman等[7]通过选材、结构设计和仿真分析，研制出L波段的SMAP天线用的真空透波天线罩。已有文献中表明，现有真空透波天线罩工作频段较窄，尺寸较小，低温环境和真空负压对天线罩的影响不明显。随着天文领域应用的不断扩展，真空透波天线罩向着宽频段、大尺寸的方向发展。宽频透波要求原材料的介电常数和损耗低、天线罩具有特殊结构，如薄壁结构，夹层结构等。

本文针对一种宽频段真空透波天线罩开展相关研究，提出采用C夹层结构的天线罩方案，从天线罩的结构形式、蒙皮厚度、蜂窝厚度、材料选择等方面进行电气和力学仿真优化，从而解决宽频段真空透波天线罩研制中的结构和电气方面的关键问题。

1 天线罩蒙皮性能

1.1 力学性能

为提高宽频段真空透波天线罩的透波性能，选用石英纤维/氰酸酯复合材料(QC)进行研究。QC具有介电性能优异、力学性能好等优点[8-9]。QC采用预浸料/热压罐工艺制备，首先对预浸料进行剪裁(平纹编制，经纬密为1∶1)，按照0°方向铺叠固化制作复合材料平板，再分别按照GB/T 1447、GB/T 1449 、GB/T 5258制作测试样条，测试材料的拉伸、弯曲、压缩强度和模量。不同温度对QC的力学性能影响如图1所示。

(a) 温度对QC强度影响

由图1可以看出，低温下，QC拉伸、弯曲和压缩强度性能最优，随着温度降低，拉伸、弯曲和压缩强度都出现了明显提升，-60 ℃比120 ℃力学性能提升了约35%。温度对QC的拉伸、弯曲和压缩模量影响不大。

1.2 介电性能

材料介电性能通常用介电常数和介质损耗来衡量[10]，主要影响电磁波的反射和透射。2个参数与电磁波穿透材料的损耗密切相关，可表示为[11]：

(1)

式中，ε′r，ε″r分别对应测试结果中复介电常数的实部与虚部。介电常数ε与损耗角正切tanδ如下[11]：

ε=ε′r；tanδ=ε″r/ε′r

(2)

材料介电常数与损耗角正切采用波导法完成测试，测试方案框图如图2所示。

图2 波导法测试方案

在波导腔内插入待测试样品块，利用矢量网络分析仪，获得端口的S11、S21等参数，通过理论计算获得材料的介电常数和损耗角正切[12]。

频率对QC的介电性能影响如图3所示。

图3 不同频率对QC的介电性能影响

QC的介电常数为2.92 ～3.05，随频率增加而降低约4.3%。QC的损耗角正切为0.006 6～0.008 4(1～30 GHz)，且随频率变化不大。

上述测试表明，QC的介电性能稳定，满足宽频段天线罩的使用要求，介电常数和损耗角正切较低，可提高天线罩透波率。

2 结构优化

天线罩按照其结构形式分为单层结构和夹层结构[3]。单层结构天线罩是指仅由一种材料组成，该结构多用于机载和水下天线罩，具有承压能力强、力学性能稳定、不容易脱粘等优点，但其壁厚较厚，导致天线罩工作频率低、工作频段窄、透波率低、质量大等缺点[10-12]。夹层结构可以利用2表层之间电磁波的反射相互抵消作用来保证其良好的透波性。当电磁波由空气进入夹层时，在各介质层产生反射。当芯层厚度最佳时，内、外蒙皮的反射波幅度相等、相位相反、相互抵消，从而降低了反射波对雷达性能的影响，因此该结构具有工作频段宽、质量小、透波性能好的优点，按结构组成可分为A，B，C等结构[13-14]。

2.1 单层结构形式

本文设计的宽频段真空天线罩尺寸为φ580 mm×800 mm，单层结构天线罩有限元模型如图4所示。有限元模型采用C3D8R六面体实体单元，共有31 108个节点和15 646个单元，采用静力分析步计算，安装面连接处设置为六自由度固定约束，在天线罩外表面施加0.1 MPa的均布压强。

(a) 受力分析

由图4可以看出在0.1 MPa均压下天线罩(顶部厚度0.8 mm、侧壁厚度1.4 mm)的静力分析结果。天线罩承受最大应力为48.37 MPa，远小于材料许用应力；最大变形0.912 6 mm，最大应力和最大变形位置均处于顶部与侧面过渡区域，满足使用要求。

天线罩(顶部厚度0.8 mm，侧壁厚度为1.4 mm)承受0.1MPa外部均压的试验结果如图5所示。

图5 失稳后的真空天线罩

由图5可以看出,天线罩顶部与侧壁连接处发生失稳，不满足使用要求。这说明薄壁结构天线罩在外部压强下容易发生失稳，故除静力分析外，还需对透波罩进行稳定性分析[15-16]。

图6和图7显示天线罩不同部位厚度变化对天线罩失稳的影响。

(a) 侧壁厚度对天线罩稳定性影响

(a) 顶部厚度对稳定性影响

由图6可以看出，随天线罩侧壁厚度的增加，天线罩承受失稳载荷逐渐变大。由图7可以看出，随着天线罩顶部厚度的增加，天线罩承受失稳载荷逐渐变大。天线罩承受失稳载荷越大，说明天线罩在内部抽真空的情况下越稳定。

通过上述仿真结果可知，单层结构天线罩破坏形式主要是失稳变形导致破坏。为验证真空负压对单层结构天线罩的影响，需进行力学和失稳分析，从而最终确定天线罩壁厚。经上述2方面分析可知，天线罩顶部厚度不应小于0.8 mm，侧壁厚度不应小于2.3 mm。

2.2 C夹层结构形式

采用相同分析方法对C夹层宽频段真空透波天线罩进行经优化。优化后的C夹层结构，前、后蒙皮均为0.5 mm，中间层为0.2 mm，2层蜂窝厚度均选用2.5 mm。

C夹层结构仿真结果如图8所示。

由图8可以看出，0.1 MPa外压作用下，真空透波罩承受最大应力为26.78 MPa，位于天线罩侧壁；最大位移为0.37 mm，透波罩在静压作用下的刚度强度满足要求。由稳定性分析可知，优化后的C夹层天线罩可承受0.12 MPa的均压而不失稳，可满足真空条件使用要求(0.1 MPa)。C夹层天线罩在内部抽真空时，未发生失稳和压溃破坏的现象，天线罩整体气密性能良好。

(a) 静力分析受力情况

3 电性能优化

天线罩对天线的电气性能会产生一定影响，主要包括方向图、透波率和副瓣等[17]。透波率是影响天线罩的关键指标，主要与天线罩的壁厚及结构形式有关。

本文重点分析了单层结构和C夹层结构的宽频段真空复合材料透波天线罩的电气性能。通过仿真软件(HFSS)对QC的厚度、蜂窝厚度以及胶膜等影响进行分析，从而选择最佳罩壁厚度。

单层结构天线罩和C夹层结构天线罩在1～30 GHz透波率如图9所示。

图9 天线罩透波特性

由图9可以看出，随着频率的增大，单层结构天线罩和C夹层结构天线罩的插入损耗随着频率的增大而越来越大。

单层结构天线罩即半波壁厚度天线罩，其厚度远小于其带宽，其壁厚设计[17]：

式中，λ为工作频段的波长；εr为天线罩用材料的介电常数；θ为电磁波与天线罩的入射角。由上式可知，工作频率增大，电磁波波长逐渐减小，导致电磁波穿过罩体损耗增大。因此，单层结构的天线罩透波性能随频率增大而增大，最大插损为1 dB(透波率为79%)，仿真结果与理论分析一致。

C夹层结构的天线罩可以看成多层介质平板，利用四端口网络理论分析。根据四端口理论，多层介质平板的电参数结构，可以视为N个四端网络的级联，总的转移矩阵为各分网络转移矩阵的乘积[18]：

，

式中，n为多层介质板的总层数。A，B，C，D与原材料的介电常数、损耗角正切和入射角度密切相关。

通过调控各层材料从而实现对天线罩透波率的调节，本文选定QC作为蒙皮材料，通过调节蜂窝厚度实现了天线罩的高透波。C夹层结构透波性能随频率增加呈现一定波动，最大插损为0.5 dB(透波率为90%)，且优于单层结构。

4 结束语

本文针对宽频段真空透波天线罩进行研究，在原材料性能研究的基础上进行了结构力学和电气仿真设计及实物测试。研究表明，宽频段真空透波天线罩破坏形式主要是结构失稳，单层结构的真空透波天线罩侧壁较顶部更容易发生失稳，1～30 GHz透波率优于79%；C夹层结构天线罩比单层结构天线罩具有重量轻、透波率高等优点，1～30 GHz透波率优于90%，可承受0.12 MPa压力不损坏。