淺談天線罩及設(shè)計要求【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-08-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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天線罩radome是保護(hù)天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)物。它在電氣性能上具有良好的電磁波穿透特性,機(jī)械性能上能經(jīng)受外部惡劣環(huán)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(fēng)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(jī)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(shù)天線罩是由空心的單層或多層的介質(zhì)殼構(gòu)成。也有的天線罩帶有孔的或金屬層/金屬加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)?？傊?就是起一個保護(hù)天線,如果有可能盡量修形以適合運(yùn)用場景,加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。

使用天線罩的目的是:

①保護(hù)天線系統(tǒng)免受風(fēng)雨、冰雪、沙塵和太陽輻射等的影響,使天線系統(tǒng)工作性能比較穩(wěn)定可靠,同時減輕天線系統(tǒng)的磨損、腐蝕和老化,延長使用壽命。

②消除風(fēng)負(fù)荷和風(fēng)力矩,減小轉(zhuǎn)動天線的驅(qū)動功率,減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)重量,減小慣量,提高固有頻率。

③有關(guān)設(shè)備和人員可在罩內(nèi)工作,不受外界環(huán)境影響,提高設(shè)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(fù)荷和其他負(fù)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(chǎn)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(chǎn)生瞄準(zhǔn)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(tǒng)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(diǎn)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(jù)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(nèi)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(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)和空間骨架結(jié)構(gòu)三種。

④根據(jù)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(hù)天線的作用,但是往往副作用不可避免。比如,天線發(fā)出去的電磁波在天線罩表面的反射和在天線罩介質(zhì)層內(nèi)的吸收,造成功率損耗,降低電子系統(tǒng)作用距離;在介質(zhì)層中的折射現(xiàn)象,引起測角誤差。有些情況,這種誤差是致命的;在介質(zhì)層中的多次反射,與多徑效應(yīng)相類似,會引起附近雜波增加。所以在設(shè)計中,要求加上天線罩以后,不能超過規(guī)定的限度指標(biāo)。

天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線罩的結(jié)構(gòu)和其他建筑結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于,設(shè)計時對結(jié)構(gòu)型式、構(gòu)件尺寸、罩壁厚度、材料選擇以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等都必須考慮電氣特性。

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

②材料選擇:對天線罩壁所用介質(zhì)材料要考慮的因素有:在工作頻率下的介電常數(shù)和損耗角正切要低,要有足夠的機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)塑料;夾層結(jié)構(gòu)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(qiáng)塑料、陶瓷、玻璃-陶瓷和層壓板等。

③具體結(jié)構(gòu):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(shè)置加強(qiáng)筋,因?yàn)樗赡苁箽んw天線罩產(chǎn)生局部或整體失穩(wěn)、或產(chǎn)生大變形,從而給結(jié)構(gòu)設(shè)計和罩子尺寸帶來許多限制。為了便于制造、安裝和運(yùn)輸,必須把大型剛性天線罩做成分塊式,球狀連接處須設(shè)置法蘭,致使罩壁不均勻。

因此,在設(shè)計時一般要通過電氣性能試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn),找出綜合性能良好的連接方案。此外,所用的金屬構(gòu)件或金屬連接件應(yīng)使其電氣遮擋最小。

天線罩環(huán)境要求

正確設(shè)計的天線罩除了滿足上面提及的氣動結(jié)構(gòu),電磁特性等要求外,還要滿足工作環(huán)境下的各項(xiàng)環(huán)境要求。

典型的環(huán)境條件包括:

1、溫度:地面和空中是不一樣的指標(biāo)。比如,地面天線罩下限溫度-56攝氏度,上限80度,機(jī)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(dǎo)彈的天線罩還需要規(guī)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(fēng)壓,機(jī)載天線罩應(yīng)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(yīng)能承受。

5、雨,海水等腐蝕。

6、擾動,沖擊和加速度:比如爆炸導(dǎo)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(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)天線罩及空間骨架天線罩五種結(jié)構(gòu)。

航空天線罩

一般為殼體結(jié)構(gòu)。根據(jù)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(xué)的要求,天線罩要做成流線型的結(jié)構(gòu)。但是,天線在天線罩內(nèi)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(shè)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(xué)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(jié)構(gòu)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(nèi)部充氣。它的優(yōu)點(diǎn)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(yùn)輸、儲藏、安裝方便。缺點(diǎn)是需要持續(xù)向罩內(nèi)充氣,以維持罩子形狀和必要的剛性。若充氣設(shè)備發(fā)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(wèi)星”(Telstar)的雷達(dá)天線。

殼體結(jié)構(gòu)天線罩

通常把罩壁做成彎曲的殼體,結(jié)構(gòu)荷載靠殼體支撐。其中均勻單壁殼體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)因材料的介電常數(shù)和損耗角正切低,電氣上允許采用較厚的罩壁以滿足結(jié)構(gòu)負(fù)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(jié)構(gòu)常用A型夾層結(jié)構(gòu)。它由兩個等厚對稱的高強(qiáng)度密度的表皮和一個低密度的芯子組成。它的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)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(diǎn)是工作頻帶窄,制造復(fù)雜、成本高。當(dāng)A型夾層不能滿足要求時,可采用由奇數(shù)層組成的多層夾層結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。

空間骨架天線罩

由金屬(或介質(zhì))球形網(wǎng)格骨架和蒙在其上的介質(zhì)薄板(或薄膜)構(gòu)成。主要由網(wǎng)格骨架承受結(jié)構(gòu)荷載,網(wǎng)格骨架的設(shè)計原則是使桿件截面在保證力學(xué)性能的情況下電氣遮擋盡量小。金屬的強(qiáng)度和剛度比介質(zhì)材料大,所以多采用金屬骨架。它的優(yōu)點(diǎn)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(dá)天線。

來源:微波射頻網(wǎng)、《天線工程手冊》、百科、知乎綜合整理

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