淺談天線罩及設計要求【轉發】

2017-08-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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天線罩radome是保護天線系統免受外部環境影響的結構物。它在電氣性能上具有良好的電磁波穿透特性,機械性能上能經受外部惡劣環境的作用。室外天線通常置于露天工作,直接受到自然界中暴風雨、冰雪、沙塵以及太陽輻射等的侵襲,致使天線精度降低、壽命縮短和工作可靠性差。

而在機載和彈載平臺,為了減小空氣阻力,必須要求尖錐狀的天線罩。多數天線罩是由空心的單層或多層的介質殼構成。也有的天線罩帶有孔的或金屬層/金屬加強筋的結構。總之,就是起一個保護天線,如果有可能盡量修形以適合運用場景,加強整體結構強度的作用。

使用天線罩的目的是:

①保護天線系統免受風雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響,使天線系統工作性能比較穩定可靠,同時減輕天線系統的磨損、腐蝕和老化,延長使用壽命。

②消除風負荷和風力矩,減小轉動天線的驅動功率,減輕機械結構重量,減小慣量,提高固有頻率。

③有關設備和人員可在罩內工作,不受外界環境影響,提高設備的使用效率和改善操作人員的工作條件。

④對于高速飛行的飛行器,天線罩可以解決高溫、空氣動力負荷和其他負荷給天線帶來的問題。

但是,天線罩是天線前面的障礙物,對天線輻射波會產生吸收和反射,改變天線的自由空間能量分布,并在一定程度上影響天線的電氣性能。

其原因是:

①天線罩壁的反射和不均勻部分的繞射會引起天線主波瓣電軸偏移,從而產生瞄準誤差;

②天線罩對高頻能量的吸收和反射會引起傳輸損耗,從而影響天線增益(接收時使系統噪聲溫度增加);

③天線罩引起的天線波瓣畸變,使天線主瓣寬度改變、零點深度提高和旁瓣電平增加;

其次,天線罩增加工程造價。飛行器上的天線一般都加天線罩,而地面天線罩尚未普遍采用。

天線罩分類

①從使用上分為航空型和地面(含艦載)型兩大類。

②從電氣上根據天線輻射波的入射角分為垂直入射天線罩和大入射角天線罩。輻射波射線與罩壁法線的夾角為入射角。入射角小于30°的稱垂直入射天線罩。天線在罩內掃描到任何位置、入射角的變化范圍都比較大(從0~75以上),稱為大入射角天線罩。后者電氣性能比前者大為降低。

③按天線罩壁橫斷面形狀,天線罩分為均勻單壁結構、夾層結構和空間骨架結構三種。

④根據天線罩的成形方式,地面天線罩分為充氣罩和剛性罩兩種。

盡管天線罩起到了保護天線的作用,但是往往副作用不可避免。比如,天線發出去的電磁波在天線罩表面的反射和在天線罩介質層內的吸收,造成功率損耗,降低電子系統作用距離;在介質層中的折射現象,引起測角誤差。有些情況,這種誤差是致命的;在介質層中的多次反射,與多徑效應相類似,會引起附近雜波增加。所以在設計中,要求加上天線罩以后,不能超過規定的限度指標。

天線罩結構設計

天線罩的結構和其他建筑結構的不同點在于,設計時對結構型式、構件尺寸、罩壁厚度、材料選擇以及結構細節等都必須考慮電氣特性。

①罩壁厚度:與工作波長有關。在電氣上,為了使反射最小,必須按工作波長設計均勻單壁壁厚或夾層結構的夾芯厚度。但所選擇的壁厚必須能承受預計的最大空氣動力負荷和其他負荷而不被破壞或不產生大的變形。壁厚的具體選擇應根據工作波長、天線罩尺寸和形狀、環境條件、所用材料等在電氣和結構性能上互相兼顧。

②材料選擇:對天線罩壁所用介質材料要考慮的因素有:在工作頻率下的介電常數和損耗角正切要低,要有足夠的機械強度。一般說來,充氣天線罩常用涂有海帕龍橡膠或氯丁橡膠的聚酯纖維薄膜;剛性天線罩用玻璃纖維增強塑料;夾層結構中的夾心多用蜂窩狀芯子或泡沫塑料。航空天線罩一般用玻璃纖維增強塑料、陶瓷、玻璃-陶瓷和層壓板等。

③具體結構:天線罩的不均勻部分會引起高頻能量的繞射和反射,因此,在天線罩壁上凡是高頻能量通過的部位一般不宜設置加強筋,因為它可能使殼體天線罩產生局部或整體失穩、或產生大變形,從而給結構設計和罩子尺寸帶來許多限制。為了便于制造、安裝和運輸,必須把大型剛性天線罩做成分塊式,球狀連接處須設置法蘭,致使罩壁不均勻。

因此,在設計時一般要通過電氣性能試驗和結構性能試驗,找出綜合性能良好的連接方案。此外,所用的金屬構件或金屬連接件應使其電氣遮擋最小。

天線罩環境要求

正確設計的天線罩除了滿足上面提及的氣動結構,電磁特性等要求外,還要滿足工作環境下的各項環境要求。

典型的環境條件包括:

1、溫度:地面和空中是不一樣的指標。比如,地面天線罩下限溫度-56攝氏度,上限80度,機載天線罩下限-56攝氏度,上限則取決于工作條件和速度。馬赫2.0時為135攝氏度,馬赫3.0時為280攝氏度。導彈的天線罩還需要規定溫度沖擊和溫度梯度等。

2、相對濕度。

3、壓力:比如,地面天線罩要承受時速240km的風壓,機載天線罩應能承受飛行速度,高度和過載帶來的影響。水下天線罩要能承受使用深度的水壓影響。

4、載荷:比如常見的雨、雪、冰雹、飛鳥、石頭等的撞擊應能承受。

5、雨,海水等腐蝕。

6、擾動,沖擊和加速度:比如爆炸導致的沖擊波,地震帶來的震動等等。

7、火焰,雷電和輻射:天線罩應當是阻燃的,防雷電的,并能防止一定程度的太陽輻射和核輻射。

8、污染物:比如鹽類,灰塵,昆蟲,霉菌,燃油,冰水和其他可能的污染物。

天線罩主要形式

天線罩主要有航空天線罩、地面天線罩、充氣天線罩、殼體結構天線罩及空間骨架天線罩五種結構。

航空天線罩

一般為殼體結構。根據具體情況,可以采用垂直入射天線罩或流線型的大入射角天線罩。為滿足空氣動力學的要求,天線罩要做成流線型的結構。但是,天線在天線罩內掃描時,入射角變化大,使天線罩難以得到最佳的電氣性能。如果不是流線型的,通常設計成入射角小于30°角的天線罩,其形狀可以是圓柱形、球形或拋物面形。這種垂直入射天線罩的空氣動力學性能雖然差些,但電氣性能較好。

地面天線罩

通常是截球形的(約為四分之三的球),可分為充氣罩和剛性罩兩類。剛性天線罩又分為殼體結構天線罩和空間骨架天線罩兩種。

充氣天線罩

球形薄膜在截口四周圍用壓板固定于氣密性的平臺上,周圍或用繩索拉緊,或用其他方法固定,內部充氣。它的優點是罩壁薄且均勻,電氣性能好,適于寬頻帶工作;罩體柔軟便于折疊,重量輕、體積小,運輸、儲藏、安裝方便。缺點是需要持續向罩內充氣,以維持罩子形狀和必要的剛性。若充氣設備發生故障,會使罩子倒塌而損壞天線。美國研制成最大的充氣罩,其直徑為 64.05米(210英尺),用作“通信衛星”(Telstar)的雷達天線。

殼體結構天線罩

通常把罩壁做成彎曲的殼體,結構荷載靠殼體支撐。其中均勻單壁殼體結構因從工作波長和尺寸上的考慮,罩子尺寸受到限制;泡沫塑料殼體結構因材料的介電常數和損耗角正切低,電氣上允許采用較厚的罩壁以滿足結構負荷要求。各泡沫塊之間的連接,可用膠接以拼成均勻的整體殼,電氣性能好,適于高頻率和寬頻段工作;夾層殼體結構常用A型夾層結構。它由兩個等厚對稱的高強度密度的表皮和一個低密度的芯子組成。它的優點是強度重量比和剛度重量比大,適用于一定波長的大型地面天線罩。但缺點是工作頻帶窄,制造復雜、成本高。當A型夾層不能滿足要求時,可采用由奇數層組成的多層夾層結構。中國于1972年研制成功的直徑44.4米夾層天線罩即采用了 A型夾層殼體結構。

空間骨架天線罩

由金屬(或介質)球形網格骨架和蒙在其上的介質薄板(或薄膜)構成。主要由網格骨架承受結構荷載,網格骨架的設計原則是使桿件截面在保證力學性能的情況下電氣遮擋盡量小。金屬的強度和剛度比介質材料大,所以多采用金屬骨架。它的優點是適于高頻和寬頻帶工作,制造容易,價格較廉,適用于大型地面天線。世界上最大的金屬空間骨架天線罩是1964年建成的,直徑為45.75米(150英尺),用于美國海斯臺克(Haystack)雷達天線。

來源:微波射頻網、《天線工程手冊》、百科、知乎綜合整理

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