寬頻段真空透波天線罩優(yōu)化設(shè)計(jì)

王海東，董長(zhǎng)勝，伍 洋，白龍斌

(中國(guó)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

隨著天文領(lǐng)域的發(fā)展，天線為了提高宇宙成像能力、降低外界噪聲，工作時(shí)必須處于低溫杜瓦系統(tǒng)中。該系統(tǒng)主體為真空環(huán)境，內(nèi)部采用液氮進(jìn)行制冷[1]。非工作區(qū)外殼通常采用鋁合金，提供良好的剛度和較低的放氣率。工作區(qū)域需要電磁波穿過(guò)天線罩進(jìn)入天線，用于實(shí)現(xiàn)天線對(duì)信號(hào)的接收與發(fā)射[2]。因此，要求該工作區(qū)域天線罩既可以在低溫真空環(huán)境下工作，又要具有較高的透波率。

常規(guī)天線罩僅具備防護(hù)雨、雪、風(fēng)、沙等環(huán)境因素對(duì)天線的影響[3]，對(duì)耐低溫和耐壓都要求不高。但杜瓦系統(tǒng)下的真空透波天線罩則要求在接收和發(fā)射信號(hào)時(shí)，還能承受0.1 MPa的壓力，因此對(duì)于天線罩的透波、耐低溫和耐壓都提出了較高的要求。賓峰等[4]針對(duì)透波窗口的所用材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了天線罩損耗和噪聲的影響因素，最終采用多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了Ka頻段損耗<0.2 dB。Jetta等[5]研究了杜瓦系統(tǒng)中不同材料對(duì)透波情況的影響。Olsson等[6]研制的真空透波天線罩插損小于0.5 dB(150～1 700 MHz)。Stegman等[7]通過(guò)選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，研制出L波段的SMAP天線用的真空透波天線罩。已有文獻(xiàn)中表明，現(xiàn)有真空透波天線罩工作頻段較窄，尺寸較小，低溫環(huán)境和真空負(fù)壓對(duì)天線罩的影響不明顯。隨著天文領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，真空透波天線罩向著寬頻段、大尺寸的方向發(fā)展。寬頻透波要求原材料的介電常數(shù)和損耗低、天線罩具有特殊結(jié)構(gòu)，如薄壁結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)等。

本文針對(duì)一種寬頻段真空透波天線罩開(kāi)展相關(guān)研究，提出采用C夾層結(jié)構(gòu)的天線罩方案，從天線罩的結(jié)構(gòu)形式、蒙皮厚度、蜂窩厚度、材料選擇等方面進(jìn)行電氣和力學(xué)仿真優(yōu)化，從而解決寬頻段真空透波天線罩研制中的結(jié)構(gòu)和電氣方面的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 天線罩蒙皮性能

1.1 力學(xué)性能

為提高寬頻段真空透波天線罩的透波性能，選用石英纖維/氰酸酯復(fù)合材料(QC)進(jìn)行研究。QC具有介電性能優(yōu)異、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。QC采用預(yù)浸料/熱壓罐工藝制備，首先對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行剪裁(平紋編制，經(jīng)緯密為1∶1)，按照0°方向鋪疊固化制作復(fù)合材料平板，再分別按照GB/T 1447、GB/T 1449 、GB/T 5258制作測(cè)試樣條，測(cè)試材料的拉伸、彎曲、壓縮強(qiáng)度和模量。不同溫度對(duì)QC的力學(xué)性能影響如圖1所示。

(a) 溫度對(duì)QC強(qiáng)度影響

由圖1可以看出，低溫下，QC拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度性能最優(yōu)，隨著溫度降低，拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度都出現(xiàn)了明顯提升，-60 ℃比120 ℃力學(xué)性能提升了約35%。溫度對(duì)QC的拉伸、彎曲和壓縮模量影響不大。

1.2 介電性能

材料介電性能通常用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗來(lái)衡量[10]，主要影響電磁波的反射和透射。2個(gè)參數(shù)與電磁波穿透材料的損耗密切相關(guān)，可表示為[11]：

(1)

式中，ε′r，ε″r分別對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果中復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部與虛部。介電常數(shù)ε與損耗角正切tanδ如下[11]：

ε=ε′r；tanδ=ε″r/ε′r

(2)

材料介電常數(shù)與損耗角正切采用波導(dǎo)法完成測(cè)試，測(cè)試方案框圖如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)法測(cè)試方案

在波導(dǎo)腔內(nèi)插入待測(cè)試樣品塊，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，獲得端口的S11、S21等參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算獲得材料的介電常數(shù)和損耗角正切[12]。

頻率對(duì)QC的介電性能影響如圖3所示。

圖3 不同頻率對(duì)QC的介電性能影響

QC的介電常數(shù)為2.92 ～3.05，隨頻率增加而降低約4.3%。QC的損耗角正切為0.006 6～0.008 4(1～30 GHz)，且隨頻率變化不大。

上述測(cè)試表明，QC的介電性能穩(wěn)定，滿足寬頻段天線罩的使用要求，介電常數(shù)和損耗角正切較低，可提高天線罩透波率。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

天線罩按照其結(jié)構(gòu)形式分為單層結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)[3]。單層結(jié)構(gòu)天線罩是指僅由一種材料組成，該結(jié)構(gòu)多用于機(jī)載和水下天線罩，具有承壓能力強(qiáng)、力學(xué)性能穩(wěn)定、不容易脫粘等優(yōu)點(diǎn)，但其壁厚較厚，導(dǎo)致天線罩工作頻率低、工作頻段窄、透波率低、質(zhì)量大等缺點(diǎn)[10-12]。夾層結(jié)構(gòu)可以利用2表層之間電磁波的反射相互抵消作用來(lái)保證其良好的透波性。當(dāng)電磁波由空氣進(jìn)入夾層時(shí)，在各介質(zhì)層產(chǎn)生反射。當(dāng)芯層厚度最佳時(shí)，內(nèi)、外蒙皮的反射波幅度相等、相位相反、相互抵消，從而降低了反射波對(duì)雷達(dá)性能的影響，因此該結(jié)構(gòu)具有工作頻段寬、質(zhì)量小、透波性能好的優(yōu)點(diǎn)，按結(jié)構(gòu)組成可分為A，B，C等結(jié)構(gòu)[13-14]。

2.1 單層結(jié)構(gòu)形式

本文設(shè)計(jì)的寬頻段真空天線罩尺寸為φ580 mm×800 mm，單層結(jié)構(gòu)天線罩有限元模型如圖4所示。有限元模型采用C3D8R六面體實(shí)體單元，共有31 108個(gè)節(jié)點(diǎn)和15 646個(gè)單元，采用靜力分析步計(jì)算，安裝面連接處設(shè)置為六自由度固定約束，在天線罩外表面施加0.1 MPa的均布?jí)簭?qiáng)。

(a) 受力分析

由圖4可以看出在0.1 MPa均壓下天線罩(頂部厚度0.8 mm、側(cè)壁厚度1.4 mm)的靜力分析結(jié)果。天線罩承受最大應(yīng)力為48.37 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力；最大變形0.912 6 mm，最大應(yīng)力和最大變形位置均處于頂部與側(cè)面過(guò)渡區(qū)域，滿足使用要求。

天線罩(頂部厚度0.8 mm，側(cè)壁厚度為1.4 mm)承受0.1MPa外部均壓的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 失穩(wěn)后的真空天線罩

由圖5可以看出,天線罩頂部與側(cè)壁連接處發(fā)生失穩(wěn)，不滿足使用要求。這說(shuō)明薄壁結(jié)構(gòu)天線罩在外部壓強(qiáng)下容易發(fā)生失穩(wěn)，故除靜力分析外，還需對(duì)透波罩進(jìn)行穩(wěn)定性分析[15-16]。

圖6和圖7顯示天線罩不同部位厚度變化對(duì)天線罩失穩(wěn)的影響。

(a) 側(cè)壁厚度對(duì)天線罩穩(wěn)定性影響

(a) 頂部厚度對(duì)穩(wěn)定性影響

由圖6可以看出，隨天線罩側(cè)壁厚度的增加，天線罩承受失穩(wěn)載荷逐漸變大。由圖7可以看出，隨著天線罩頂部厚度的增加，天線罩承受失穩(wěn)載荷逐漸變大。天線罩承受失穩(wěn)載荷越大，說(shuō)明天線罩在內(nèi)部抽真空的情況下越穩(wěn)定。

通過(guò)上述仿真結(jié)果可知，單層結(jié)構(gòu)天線罩破壞形式主要是失穩(wěn)變形導(dǎo)致破壞。為驗(yàn)證真空負(fù)壓對(duì)單層結(jié)構(gòu)天線罩的影響，需進(jìn)行力學(xué)和失穩(wěn)分析，從而最終確定天線罩壁厚。經(jīng)上述2方面分析可知，天線罩頂部厚度不應(yīng)小于0.8 mm，側(cè)壁厚度不應(yīng)小于2.3 mm。

2.2 C夾層結(jié)構(gòu)形式

采用相同分析方法對(duì)C夾層寬頻段真空透波天線罩進(jìn)行經(jīng)優(yōu)化。優(yōu)化后的C夾層結(jié)構(gòu)，前、后蒙皮均為0.5 mm，中間層為0.2 mm，2層蜂窩厚度均選用2.5 mm。

C夾層結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，0.1 MPa外壓作用下，真空透波罩承受最大應(yīng)力為26.78 MPa，位于天線罩側(cè)壁；最大位移為0.37 mm，透波罩在靜壓作用下的剛度強(qiáng)度滿足要求。由穩(wěn)定性分析可知，優(yōu)化后的C夾層天線罩可承受0.12 MPa的均壓而不失穩(wěn)，可滿足真空條件使用要求(0.1 MPa)。C夾層天線罩在內(nèi)部抽真空時(shí)，未發(fā)生失穩(wěn)和壓潰破壞的現(xiàn)象，天線罩整體氣密性能良好。

(a) 靜力分析受力情況

3 電性能優(yōu)化

天線罩對(duì)天線的電氣性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，主要包括方向圖、透波率和副瓣等[17]。透波率是影響天線罩的關(guān)鍵指標(biāo)，主要與天線罩的壁厚及結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。

本文重點(diǎn)分析了單層結(jié)構(gòu)和C夾層結(jié)構(gòu)的寬頻段真空復(fù)合材料透波天線罩的電氣性能。通過(guò)仿真軟件(HFSS)對(duì)QC的厚度、蜂窩厚度以及膠膜等影響進(jìn)行分析，從而選擇最佳罩壁厚度。

單層結(jié)構(gòu)天線罩和C夾層結(jié)構(gòu)天線罩在1～30 GHz透波率如圖9所示。

圖9 天線罩透波特性

由圖9可以看出，隨著頻率的增大，單層結(jié)構(gòu)天線罩和C夾層結(jié)構(gòu)天線罩的插入損耗隨著頻率的增大而越來(lái)越大。

單層結(jié)構(gòu)天線罩即半波壁厚度天線罩，其厚度遠(yuǎn)小于其帶寬，其壁厚設(shè)計(jì)[17]：

式中，λ為工作頻段的波長(zhǎng)；εr為天線罩用材料的介電常數(shù)；θ為電磁波與天線罩的入射角。由上式可知，工作頻率增大，電磁波波長(zhǎng)逐漸減小，導(dǎo)致電磁波穿過(guò)罩體損耗增大。因此，單層結(jié)構(gòu)的天線罩透波性能隨頻率增大而增大，最大插損為1 dB(透波率為79%)，仿真結(jié)果與理論分析一致。

C夾層結(jié)構(gòu)的天線罩可以看成多層介質(zhì)平板，利用四端口網(wǎng)絡(luò)理論分析。根據(jù)四端口理論，多層介質(zhì)平板的電參數(shù)結(jié)構(gòu)，可以視為N個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)，總的轉(zhuǎn)移矩陣為各分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移矩陣的乘積[18]：

，

式中，n為多層介質(zhì)板的總層數(shù)。A，B，C，D與原材料的介電常數(shù)、損耗角正切和入射角度密切相關(guān)。

通過(guò)調(diào)控各層材料從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天線罩透波率的調(diào)節(jié)，本文選定QC作為蒙皮材料，通過(guò)調(diào)節(jié)蜂窩厚度實(shí)現(xiàn)了天線罩的高透波。C夾層結(jié)構(gòu)透波性能隨頻率增加呈現(xiàn)一定波動(dòng)，最大插損為0.5 dB(透波率為90%)，且優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)寬頻段真空透波天線罩進(jìn)行研究，在原材料性能研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)和電氣仿真設(shè)計(jì)及實(shí)物測(cè)試。研究表明，寬頻段真空透波天線罩破壞形式主要是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，單層結(jié)構(gòu)的真空透波天線罩側(cè)壁較頂部更容易發(fā)生失穩(wěn)，1～30 GHz透波率優(yōu)于79%；C夾層結(jié)構(gòu)天線罩比單層結(jié)構(gòu)天線罩具有重量輕、透波率高等優(yōu)點(diǎn)，1～30 GHz透波率優(yōu)于90%，可承受0.12 MPa壓力不損壞。