某天線罩設(shè)計(jì)方法研究

殷虎 陳瑜

（海軍駐武漢七一九所軍事代表室武漢430205）

某天線罩設(shè)計(jì)方法研究

殷虎 陳瑜

（海軍駐武漢七一九所軍事代表室武漢430205）

論文在簡(jiǎn)要介紹某天線罩相關(guān)要素的設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，對(duì)天線罩肋桿電流率的計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)論述。綜述了常見天線罩板塊劃分方法。指出了天線罩研究中所存在的問(wèn)題以及今后主要研究方向。

天線罩；薄膜；電流率；板塊劃分

Class NumberTN820

1 引言

天線罩是天饋系統(tǒng)的保護(hù)罩［1］，可以保護(hù)內(nèi)部的天饋系統(tǒng)，尤其是天線免受沙塵暴、臺(tái)風(fēng)、雨雪等極端惡劣環(huán)境的影響，同時(shí)在電氣方面具有良好的透波性，不會(huì)干擾天饋系統(tǒng)的正常工作。天線罩設(shè)計(jì)是電氣、力學(xué)與幾何計(jì)算的綜合學(xué)科，其設(shè)計(jì)難度較高，本文以天線罩薄膜、電流率的電氣設(shè)計(jì)方法和天線罩板塊幾何設(shè)計(jì)方法為例，對(duì)天線罩設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。

2 天線罩薄膜的仿真

天線罩薄膜橫斷面可分為均勻單層、變厚度單層、A-夾層、變厚度A-夾層、B-夾層、C-夾層、變厚度C-夾層和多層結(jié)構(gòu)等［2］。

單層：均勻單層已在很多天線罩中使用。它的材料有玻璃纖維增強(qiáng)塑料、陶瓷、合成橡膠以及整塊泡沫塑料等。

單層罩分為薄壁和半波長(zhǎng)壁。薄壁是指天線罩薄膜的電器厚度小于其內(nèi)部天線工作波長(zhǎng)的二十分之一。半波長(zhǎng)壁指天線罩薄膜的最佳電氣厚度對(duì)應(yīng)與相應(yīng)入射角在介質(zhì)材料中接近于起內(nèi)部天線工作波長(zhǎng)半波長(zhǎng)的倍數(shù)。

A-夾層：它由兩個(gè)比較致密、電氣上很薄的蒙皮和一個(gè)較厚的低密度芯子組成。芯子的厚度應(yīng)讓兩個(gè)蒙皮的電磁反射正好彼此抵消。A-夾層結(jié)構(gòu)在相同重量下具有更高的強(qiáng)度，其表皮一般由玻璃纖維增強(qiáng)塑料、高頻陶瓷組成，而芯子則一般制成泡沫或蜂窩狀。

B-夾層：B-夾層由芯子+蒙皮組成的三層夾層。B-夾層重量比A-夾層更大。

C-夾層：C-夾層是一個(gè)五層架構(gòu)，由兩個(gè)蒙皮、一個(gè)中心蒙皮和兩個(gè)中間芯子組成，它能有效抵消蒙皮的反射，擴(kuò)充頻帶或?qū)Υ笕肷浣欠秶黾舆m應(yīng)性。與A-夾層相比，C-夾層強(qiáng)度更高，透過(guò)性能較好，但插入相位移隨入射角的變化劇烈，故常與相位校正透鏡聯(lián)合使用。

多層結(jié)構(gòu)：多層結(jié)構(gòu)包括七層、九層、十一層以上的復(fù)合夾層，具有很高的強(qiáng)度、很好的寬頻帶和很寬的入射角范圍。其中的一些將采用玻璃纖維板薄層和低密度芯子，以便在寬的頻帶范圍內(nèi)得到高的傳輸特性，有的則直接采用寬頻帶切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)方法（如微波透波墻等），這種多層結(jié)構(gòu)往往做成近于平板型的天線罩。

以多層結(jié)構(gòu)為例，其具體設(shè)計(jì)方法如下：

1）設(shè)計(jì)要求，垂直極化，最佳入射角40，最頻率范圍：2G～18G，傳輸效率高于90%。

2）具體步驟：

傳輸功率為

式中，A，B，C，D計(jì)算方法為

其中，A=cosβl；B=jZcsinβl；C=jsinβl/Zc；D=cosβl。

改變各層的介電常數(shù)，即可調(diào)整整個(gè)天線罩壁的傳輸功率。

此處選取7層天線罩壁，定義各層介電常數(shù)分別為：ε1=1.3，ε2=1.4，ε3=1.5，ε4=2.0。

則根據(jù)上述公式可算得：

其中d4為優(yōu)化結(jié)果。

可得結(jié)果如圖1所示。仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 金屬肋電流率仿真

在金屬桁架天線罩電信設(shè)計(jì)［3］中，主要考慮孔徑阻擋和感應(yīng)電流率這兩個(gè)因素。

孔徑阻擋比的定義是：被天線罩肋陣所阻擋的天線輻射孔徑面積與天線輻射孔徑面積之比稱為孔徑阻擋比pσ。其計(jì)算公式如下：

感應(yīng)電流率［4～5］的定義為：假定有一個(gè)振幅均勻且無(wú)限長(zhǎng)的電流，它所給出的遠(yuǎn)區(qū)輻射方向圖與肋的遠(yuǎn)區(qū)擴(kuò)散方向圖相等，那么，這個(gè)引起肋的擴(kuò)散方向圖的總電流與同樣寬度的入射波源的等值電流之比即為感應(yīng)電流率。

以圓柱形金屬肋為例，其水平感應(yīng)電流率和垂直感應(yīng)電流率計(jì)算公式分別為

矩形金屬肋中的感應(yīng)電流率，則使用矩量法進(jìn)行計(jì)算。

利用矩量法的脈沖點(diǎn)選配技術(shù)，將柱體橫截面的輪廓線C分成N個(gè)小線段，每小段為ΔCn。

其中：

結(jié)果和其它文獻(xiàn)仿真大體一致［6～8］，略有區(qū)別，分析應(yīng)當(dāng)是未考慮倒圓角造成的結(jié)果。

金屬空間肋架天線罩的功率傳輸系數(shù)為

4 雷達(dá)天線罩的板塊劃分

地面天線罩大都架設(shè)在山頂高崗上，上山的道路一般也都是崎嶇狹窄的土石路，為了運(yùn)輸?shù)姆奖?，球罩的分割板塊尺寸要考慮到這個(gè)因素；另一方面安裝時(shí)沒(méi)有吊車，要靠人抬肩扛，靠簡(jiǎn)易滑輪，板塊的重量要有所限制，這也是對(duì)板塊尺寸的約［9～12］。

由于天線球罩的分割、拼裝對(duì)罩的電氣性能有影響，從這個(gè)角度上考慮，希望板塊的分割是隨機(jī)的，最好沒(méi)有互相平行的分割線，而且板塊的規(guī)格最少，使模具的規(guī)格種類最少，減少制造成本。

在滿足電性能、結(jié)構(gòu)、制造工藝、運(yùn)輸和安裝等的前提下，截球罩體可以有許多不同的分塊方法，一般先將截球體劃分成各種正多面體（12面體和20面體），然后再?gòu)恼嗝骟w出發(fā)作進(jìn)一步劃分。

網(wǎng)殼1080面體（半徑：30m）算例：

眾所周知，正20面體由20個(gè)的三角形組成，每個(gè)三角形為一個(gè)基元，由上述球面網(wǎng)殼的構(gòu)型特征可知，每個(gè)基元都是相同的，而且各個(gè)基元所處的方位以及各個(gè)基元的相對(duì)位置關(guān)系是有規(guī)律的，所以，只要能夠確定一個(gè)基元，通過(guò)對(duì)基元的映射、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等方法就可以構(gòu)造出整個(gè)網(wǎng)殼。確定基元是球面網(wǎng)殼構(gòu)型的關(guān)鍵，而確定基元主要是確定節(jié)點(diǎn)位置、棱邊長(zhǎng)度、相鄰棱邊之間的角度等構(gòu)建基元的幾何要素，即構(gòu)造基元需要考慮節(jié)點(diǎn)、棱邊和面的拓?fù)潢P(guān)系，以及節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、棱邊長(zhǎng)度、角度的具體計(jì)算。因此，在構(gòu)建具體的網(wǎng)格之前，需要根據(jù)空間幾何關(guān)系定義這些幾何要素的計(jì)算方法，分析網(wǎng)殼構(gòu)型特點(diǎn)和球體上幾何元素的基本關(guān)系，并推導(dǎo)出具體的計(jì)算公式。

最終的球面劃分結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算機(jī)的仿真模擬，該球面共有1080個(gè)面，桁架最小長(zhǎng)為1.4768m，最長(zhǎng)3.3705m，平均長(zhǎng)度為2.46m，桁架在種類12種，總體來(lái)看，該空間構(gòu)型，桁架呈偽隨機(jī)分布，種類較少，長(zhǎng)度適中，滿足天線罩制作要求。

5 結(jié)語(yǔ)

天線罩種類繁多，應(yīng)用廣泛，工藝復(fù)雜，隨著天線技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的天線罩正向著高透波率、高強(qiáng)度和多用途的方向發(fā)展，這對(duì)于廣大設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，現(xiàn)在單一的仿真計(jì)算方法已經(jīng)難以勝任復(fù)雜天線罩的設(shè)計(jì)，需要開發(fā)出能夠適應(yīng)并涵蓋天線罩總體電氣、力學(xué)、幾何、工程制造設(shè)計(jì)的綜合設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于天線罩設(shè)計(jì)方法的研究還需要科研人員繼續(xù)努力。

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Research on Design Method of Radome

YIN HuCHEN Yu
（Naval Representative Office in 719 Research Institute，Wuhan430205）

In this paper，the design method of the radome is briefly introduced.And the calculation of the current rate of the rib is discussed in the detail.In this paper，the method of dividing the common radome is summarized，and the existing problems and future rasearch directions are pointed out.

radome，film，current rate，plate dividing

TN820

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.033

2016年12月3日，

2017年1月11日

殷虎，男，碩士，工程師，研究方向：武備電子工程。陳瑜，男，碩士，工程師，研究方向：電子信息工程。