浅谈天线罩及设计要求【转发】

2017-08-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

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天线罩radome是保护天线系统免受外部环境影响的结构物。它在电气性能上具有良好的电磁波穿透特性,机械性能上能经受外部恶劣环境的作用。室外天线通常置于露天工作,直接受到自然界中暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等的侵袭,致使天线精度降低、寿命缩短和工作可靠性差。

而在机载和弹载平台,为了减小空气阻力,必须要求尖锥状的天线罩。多数天线罩是由空心的单层或多层的介质壳构成。也有的天线罩带有孔的或金属层/金属加强筋的结构。总之,就是起一个保护天线,如果有可能尽量修形以适合运用场景,加强整体结构强度的作用。

使用天线罩的目的是:

①保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响,使天线系统工作性能比较稳定可靠,同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化,延长使用寿命。

②消除风负荷和风力矩,减小转动天线的驱动功率,减轻机械结构重量,减小惯量,提高固有频率。

③有关设备和人员可在罩内工作,不受外界环境影响,提高设备的使用效率和改善操作人员的工作条件。

④对于高速飞行的飞行器,天线罩可以解决高温、空气动力负荷和其他负荷给天线带来的问题。

但是,天线罩是天线前面的障碍物,对天线辐射波会产生吸收和反射,改变天线的自由空间能量分布,并在一定程度上影响天线的电气性能。

其原因是:

①天线罩壁的反射和不均匀部分的绕射会引起天线主波瓣电轴偏移,从而产生瞄准误差;

②天线罩对高频能量的吸收和反射会引起传输损耗,从而影响天线增益(接收时使系统噪声温度增加);

③天线罩引起的天线波瓣畸变,使天线主瓣宽度改变、零点深度提高和旁瓣电平增加;

其次,天线罩增加工程造价。飞行器上的天线一般都加天线罩,而地面天线罩尚未普遍采用。

天线罩分类

①从使用上分为航空型和地面(含舰载)型两大类。

②从电气上根据天线辐射波的入射角分为垂直入射天线罩和大入射角天线罩。辐射波射线与罩壁法线的夹角为入射角。入射角小于30°的称垂直入射天线罩。天线在罩内扫描到任何位置、入射角的变化范围都比较大(从0~75以上),称为大入射角天线罩。后者电气性能比前者大为降低。

③按天线罩壁横断面形状,天线罩分为均匀单壁结构、夹层结构和空间骨架结构三种。

④根据天线罩的成形方式,地面天线罩分为充气罩和刚性罩两种。

尽管天线罩起到了保护天线的作用,但是往往副作用不可避免。比如,天线发出去的电磁波在天线罩表面的反射和在天线罩介质层内的吸收,造成功率损耗,降低电子系统作用距离;在介质层中的折射现象,引起测角误差。有些情况,这种误差是致命的;在介质层中的多次反射,与多径效应相类似,会引起附近杂波增加。所以在设计中,要求加上天线罩以后,不能超过规定的限度指标。

天线罩结构设计

天线罩的结构和其他建筑结构的不同点在于,设计时对结构型式、构件尺寸、罩壁厚度、材料选择以及结构细节等都必须考虑电气特性。

①罩壁厚度:与工作波长有关。在电气上,为了使反射最小,必须按工作波长设计均匀单壁壁厚或夹层结构的夹芯厚度。但所选择的壁厚必须能承受预计的最大空气动力负荷和其他负荷而不被破坏或不产生大的变形。壁厚的具体选择应根据工作波长、天线罩尺寸和形状、环境条件、所用材料等在电气和结构性能上互相兼顾。

②材料选择:对天线罩壁所用介质材料要考虑的因素有:在工作频率下的介电常数和损耗角正切要低,要有足够的机械强度。一般说来,充气天线罩常用涂有海帕龙橡胶或氯丁橡胶的聚酯纤维薄膜;刚性天线罩用玻璃纤维增强塑料;夹层结构中的夹心多用蜂窝状芯子或泡沫塑料。航空天线罩一般用玻璃纤维增强塑料、陶瓷、玻璃-陶瓷和层压板等。

③具体结构:天线罩的不均匀部分会引起高频能量的绕射和反射,因此,在天线罩壁上凡是高频能量通过的部位一般不宜设置加强筋,因为它可能使壳体天线罩产生局部或整体失稳、或产生大变形,从而给结构设计和罩子尺寸带来许多限制。为了便于制造、安装和运输,必须把大型刚性天线罩做成分块式,球状连接处须设置法兰,致使罩壁不均匀。

因此,在设计时一般要通过电气性能试验和结构性能试验,找出综合性能良好的连接方案。此外,所用的金属构件或金属连接件应使其电气遮挡最小。

天线罩环境要求

正确设计的天线罩除了满足上面提及的气动结构,电磁特性等要求外,还要满足工作环境下的各项环境要求。

典型的环境条件包括:

1、温度:地面和空中是不一样的指标。比如,地面天线罩下限温度-56摄氏度,上限80度,机载天线罩下限-56摄氏度,上限则取决于工作条件和速度。马赫2.0时为135摄氏度,马赫3.0时为280摄氏度。导弹的天线罩还需要规定温度冲击和温度梯度等。

2、相对湿度。

3、压力:比如,地面天线罩要承受时速240km的风压,机载天线罩应能承受飞行速度,高度和过载带来的影响。水下天线罩要能承受使用深度的水压影响。

4、载荷:比如常见的雨、雪、冰雹、飞鸟、石头等的撞击应能承受。

5、雨,海水等腐蚀。

6、扰动,冲击和加速度:比如爆炸导致的冲击波,地震带来的震动等等。

7、火焰,雷电和辐射:天线罩应当是阻燃的,防雷电的,并能防止一定程度的太阳辐射和核辐射。

8、污染物:比如盐类,灰尘,昆虫,霉菌,燃油,冰水和其他可能的污染物。

天线罩主要形式

天线罩主要有航空天线罩、地面天线罩、充气天线罩、壳体结构天线罩及空间骨架天线罩五种结构。

航空天线罩

一般为壳体结构。根据具体情况,可以采用垂直入射天线罩或流线型的大入射角天线罩。为满足空气动力学的要求,天线罩要做成流线型的结构。但是,天线在天线罩内扫描时,入射角变化大,使天线罩难以得到最佳的电气性能。如果不是流线型的,通常设计成入射角小于30°角的天线罩,其形状可以是圆柱形、球形或抛物面形。这种垂直入射天线罩的空气动力学性能虽然差些,但电气性能较好。

地面天线罩

通常是截球形的(约为四分之三的球),可分为充气罩和刚性罩两类。刚性天线罩又分为壳体结构天线罩和空间骨架天线罩两种。

充气天线罩

球形薄膜在截口四周围用压板固定于气密性的平台上,周围或用绳索拉紧,或用其他方法固定,内部充气。它的优点是罩壁薄且均匀,电气性能好,适于宽频带工作;罩体柔软便于折叠,重量轻、体积小,运输、储藏、安装方便。缺点是需要持续向罩内充气,以维持罩子形状和必要的刚性。若充气设备发生故障,会使罩子倒塌而损坏天线。美国研制成最大的充气罩,其直径为 64.05米(210英尺),用作“通信卫星”(Telstar)的雷达天线。

壳体结构天线罩

通常把罩壁做成弯曲的壳体,结构荷载靠壳体支撑。其中均匀单壁壳体结构因从工作波长和尺寸上的考虑,罩子尺寸受到限制;泡沫塑料壳体结构因材料的介电常数和损耗角正切低,电气上允许采用较厚的罩壁以满足结构负荷要求。各泡沫块之间的连接,可用胶接以拼成均匀的整体壳,电气性能好,适于高频率和宽频段工作;夹层壳体结构常用A型夹层结构。它由两个等厚对称的高强度密度的表皮和一个低密度的芯子组成。它的优点是强度重量比和刚度重量比大,适用于一定波长的大型地面天线罩。但缺点是工作频带窄,制造复杂、成本高。当A型夹层不能满足要求时,可采用由奇数层组成的多层夹层结构。中国于1972年研制成功的直径44.4米夹层天线罩即采用了 A型夹层壳体结构。

空间骨架天线罩

由金属(或介质)球形网格骨架和蒙在其上的介质薄板(或薄膜)构成。主要由网格骨架承受结构荷载,网格骨架的设计原则是使杆件截面在保证力学性能的情况下电气遮挡尽量小。金属的强度和刚度比介质材料大,所以多采用金属骨架。它的优点是适于高频和宽频带工作,制造容易,价格较廉,适用于大型地面天线。世界上最大的金属空间骨架天线罩是1964年建成的,直径为45.75米(150英尺),用于美国海斯台克(Haystack)雷达天线。

来源:微波射频网、《天线工程手册》、百科、知乎综合整理

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