Ku波段天線罩的設(shè)計(jì)

曹江濤，李增科，董長勝，牛傳峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

天線罩是天線設(shè)備的重要組成部分，具有透波、抗風(fēng)和防水等作用。性能優(yōu)良的天線罩在保證天線性能指標(biāo)的前提下，可有效防止大風(fēng)、鹽霧和暴雨等惡劣環(huán)境對天線的影響和破壞，達(dá)到延長天線使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性和保障天線全天候工作的目的[1-3]。

常用評(píng)價(jià)天線罩電磁性能的指標(biāo)有天線方向圖、傳輸損耗、瞄準(zhǔn)誤差和瞄準(zhǔn)誤差斜率等[4-6]。本文從天線罩的透波率這個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)天線罩的性能優(yōu)劣，該方法僅使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或者標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀就可實(shí)現(xiàn)，因此容易測量驗(yàn)證[7]。

目前在衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收地面站、氣象雷達(dá)站和航管雷達(dá)站等場所用于L，S，C，X等波段的地面雷達(dá)天線罩已十分普遍[8-10]。隨著Ku波段雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用于更高頻段的地面雷達(dá)天線罩的研發(fā)也必然要提上日程[11-12]。目前，常規(guī)動(dòng)中通衛(wèi)星天線工作頻段為Ku波段，增益一般在28 dBW上，在此基礎(chǔ)上通過天線罩的方式提高增益對于常規(guī)天線罩而言具有較大的挑戰(zhàn)[13-18]。為此，針對Ku波段天線罩開展相關(guān)研究，從結(jié)構(gòu)形式、罩壁厚度、材料選擇工藝方法及電迅性能等幾個(gè)方面進(jìn)行了相應(yīng)探討。

1 電性能設(shè)計(jì)

天線罩對天線的電氣性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，電氣性能設(shè)計(jì)主要包括天線罩對天線方向圖的影響、天線罩的傳輸系數(shù)和天線罩對天線副瓣的影響。

天線罩的初始法向壁厚基于幾何光學(xué)、二維射線追蹤理論，具體的壁厚設(shè)計(jì)公式為：

式中，λ為波長；εr為罩體材料的介電常數(shù)；θ為入射角。令m=1，即確定了天線罩的半波壁厚設(shè)計(jì)公式。由此可知，在已知天線的工作頻率以及罩體材料的介電常數(shù)的前提下，只要確定了入射角便可確定天線罩的初始壁厚。

本文采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，選擇低介電常數(shù)的材料，基于預(yù)浸料熱壓罐成型工藝合理設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)形式，選取最優(yōu)罩壁厚度，降低天線罩的損耗，提高傳輸效率。

采用仿真軟件(HFSS)進(jìn)行大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇夾層形式及夾層厚度，經(jīng)過理論計(jì)算以及等效板實(shí)測結(jié)果，選擇最佳罩壁厚度。

天線罩使用A夾層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，罩體包含2層高強(qiáng)玻纖環(huán)氧和1層蜂窩。根據(jù)電氣指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)的罩體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：蜂窩厚度5.8 mm，外表面高強(qiáng)玻纖環(huán)氧料厚度0.3 mm，其他層高強(qiáng)玻纖環(huán)氧料厚度0.2 mm，罩子總厚度6.3 mm。

圖1 天線罩夾層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sandwich structure of radome

罩體對12～18 GHz電磁波透波率如圖2所示，透波率優(yōu)于93%，均滿足指標(biāo)85%的要求。

圖2 天線罩透波特性Fig.2 Transmission property of radome

隨著入射角度的增大，天線罩的透波率有所降低，其透波率結(jié)果如圖3所示，透波率優(yōu)于93%，均滿足指標(biāo)85%的要求。

圖3 天線罩透波特性隨入射角度的變化Fig.3 Transmission property of radome at various angles

綜合上述仿真結(jié)果可知，項(xiàng)目采用的技術(shù)方案能夠滿足項(xiàng)目12～18 GHz頻段透波指標(biāo)要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)仿真

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線罩包括罩體以及安裝法蘭，如圖4所示。天線罩總長L1=990 mm，寬L2=990 mm，總高度為H=245 mm，壁厚h2=6.4 mm。

圖4 天線罩整體Fig.4 Overall structure of radome

2.2 力學(xué)仿真

常用的天線罩結(jié)構(gòu)形式主要有薄壁罩和夾層罩2種。夾層罩不論從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還是透波率上都比薄壁罩優(yōu)越。夾層結(jié)構(gòu)的天線罩通過選擇一定厚度的低密度芯層，達(dá)到強(qiáng)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕重量的作用。夾層結(jié)構(gòu)可耐沖擊和撞擊，其壓服沖程高達(dá)原始厚度的80%，具有很好的能量吸收效果。夾層結(jié)構(gòu)天線罩的強(qiáng)度、剛度在承受風(fēng)、雹及其他沖擊時(shí)比薄壁結(jié)構(gòu)天線罩要可靠的多，在使用壽命上，夾層罩可超過20年以上。因此本天線罩結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)玻纖+蜂窩+高強(qiáng)玻纖的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際生產(chǎn)工藝中復(fù)合材料的鋪層方法完成材料屬性坐標(biāo)系的定義。

其中計(jì)算出蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的等效性能參數(shù)如表1所示。

表1 力學(xué)仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of mechanical simulation

等效性能參數(shù)值密度/(g·cm-3)1.971 25彈性模量E1/MPa1 968.75彈性模量E2/MPa1 875彈性模量E3/MPa130.32泊松比0.16剪切模量G12/MPa384.375剪切模量G23/MPa63.45剪切模量G13/MPa63.45拉伸強(qiáng)度/MPa63.10壓縮強(qiáng)度/MPa39.66層間剪切強(qiáng)度/MPa6.6

2.2.1 振動(dòng)分析

依據(jù)GJB150.16A-2009/GJB150.18A-2009振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)方法和載車平臺(tái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61373 2010，驗(yàn)證全狀態(tài)下樣機(jī)的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。在天線罩結(jié)構(gòu)下端螺孔處施加3個(gè)方向均約束的固定邊界條件，通過上述振動(dòng)加速度作用下的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，3種工況下天線罩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和產(chǎn)生的位移都很小，即不會(huì)發(fā)生失效破壞。振動(dòng)分析的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 振動(dòng)分析的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of vibration analysis

2.2.2 沖擊分析結(jié)果

沖擊作用分析的仿真結(jié)果如圖6所示。在11 ms的半正弦脈沖作用下，加速度峰值為20 g，設(shè)置為動(dòng)力顯式分析步，其邊界條件為：在施加某方向的沖擊加速度時(shí)，放開該方向的約束，并固定其他2個(gè)方向的位移自由度。

通過上述分析結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)，在3個(gè)方向沖擊作用下天線罩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平很低，所以不會(huì)發(fā)生失效破壞。

圖6 沖擊作用分析的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of impact action analysis

3 工藝設(shè)計(jì)

復(fù)合材料成型相對比較復(fù)雜，隨著各種新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)，復(fù)合材料制造工藝已成為復(fù)合材料加工制造的關(guān)鍵，涵蓋的技術(shù)面廣、技術(shù)含量高，工藝成本份額在總成本中占據(jù)了很大的比重。

目前地面雷達(dá)天線罩生產(chǎn)中多采用開模手糊成型法，傳統(tǒng)的手糊成型工藝存在鋪放、含膠量控制、配方的一致性、固化環(huán)境及固化狀態(tài)等一系列的問題，要想保證罩體電氣的均勻性難度很大。本項(xiàng)目采用熱壓罐成型技術(shù)，可以更好地滿足制品的均勻性，產(chǎn)品孔隙率低。根據(jù)天線罩設(shè)計(jì)要求，制定了如圖7所示的工藝流程。

圖7 天線罩熱壓罐成型制備工藝流程Fig.7 Process flow chart of radome autoclave molding and fabrication

在天線罩制備過程中，通過對蒙皮和蜂窩鋪貼角度、排布方式的嚴(yán)格控制，確保罩體結(jié)構(gòu)上和尺寸上的均勻性和準(zhǔn)確性。采用2步法成型，將蜂窩和后蒙皮的膠粘工序合并，大幅度提高效率，降低生產(chǎn)成本。

天線罩殼體蒙皮為高透波纖維復(fù)合材料，考慮復(fù)合材料的“低線脹系數(shù)”設(shè)計(jì)原理和“各向同性”的設(shè)計(jì)原則，蒙皮鋪層采用等層間角度間隔設(shè)計(jì)方案，為“旋轉(zhuǎn)式”鋪層。芯材采用模具預(yù)固化成型，由于與蒙皮采用同一模具，其與蒙皮貼合好，圓角和平面過渡自然。在芯材之上鋪設(shè)預(yù)浸料材料進(jìn)行固化，在固化過程中，芯材能夠承受預(yù)浸料固化的壓力，使層板完全固化；同時(shí)由于芯材采用模具預(yù)固化成型，因此構(gòu)件與模具貼合良好，確保了層合板的成型質(zhì)量，極大地提高了天線罩表面平整度。

4 結(jié)束語

針對Ku波段天線罩進(jìn)行了電氣仿真設(shè)計(jì)、力學(xué)仿真驗(yàn)證以及工藝設(shè)計(jì)，最終確定采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其中蜂窩厚度5.8 mm，外表面高強(qiáng)玻纖環(huán)氧料厚度0.3 mm，其他層高強(qiáng)玻纖環(huán)氧料厚度0.2 mm，罩子總厚度6.3 mm。罩體對12～18 GHz電磁波透波率優(yōu)于93%，均滿足指標(biāo)85%的要求，通過振動(dòng)和沖擊仿真分析，結(jié)果滿足環(huán)境指標(biāo)的要求。