唐守柱，劉興貴，何炳發(fā)

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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·天饋伺系統(tǒng)·

球型毫米波金屬桁架天線罩研究

唐守柱，劉興貴，何炳發(fā)

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

從球形毫米波天線罩的空間分塊設(shè)計(jì)、金屬桁架和連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、透波窗口設(shè)計(jì)以及安裝架設(shè)方式等方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，并通過(guò)一直徑7 m、工作在20 GHz的金屬空間桁架天線罩的設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)研究，證明文中所用方法行之有效，可推廣應(yīng)用于各種大型天線罩的電性能分析和選形設(shè)計(jì)。

電大尺寸；毫米波；金屬桁架天線罩；介質(zhì)桁架天線罩；透波率

0 引 言

毫米波是介于微波與光波之間的電磁波，通常，毫米波頻段是指30 GHz～300 GHz，相應(yīng)波長(zhǎng)為1 mm～10 mm[1-3]。 其低端毗鄰厘米波段, 具有厘米波段全天候的特點(diǎn), 高端鄰接紅外波段, 具有紅外波段的高分辨力特點(diǎn)。目前，絕大多數(shù)的應(yīng)用研究集中在幾個(gè)“窗口”頻率，包括35 GHz、45 GHz、94 GHz、140 GHz、220 GHz。隨著大口徑毫米波天線的廣泛應(yīng)用[4]，對(duì)保護(hù)這種大型天線的天線罩提出了更高的電訊、結(jié)構(gòu)、制造、安裝以及維護(hù)等要求，透波率高、強(qiáng)度好、重量輕、外觀精美是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。這類大型毫米波天線口徑尺寸大，天線波束窄，電訊指標(biāo)要求高，承受風(fēng)壓、冰雪載荷大。大口徑毫米波天線罩的采用提供了許多的好處，可以在保持結(jié)構(gòu)、溫度、閃電、風(fēng)、雨、冰、雪、雹等載荷的同時(shí)，得到所要求的天線電氣性能，改善天線的工作環(huán)境，提高其精度。為適應(yīng)毫米波大口徑天線罩的發(fā)展，金屬空間桁架天線罩就應(yīng)運(yùn)而生[5]。它是一種高通濾波器，用途廣泛，尺寸可大可小，能夠承受更大的風(fēng)速，且寬帶性能好，性價(jià)比高。對(duì)于金屬空間桁架天線罩，金屬桿件比介質(zhì)桿件的彈性模數(shù)大得多，建造一個(gè)金屬空間桁架罩，橫斷面比介質(zhì)桿件橫斷面小得多的金屬桿件，就可以承受同樣的結(jié)構(gòu)負(fù)載。

1 球形毫米波天線罩空間分塊設(shè)計(jì)

球形毫米波天線罩空間幾何分塊是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要求同時(shí)兼顧電性能、結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面。從制造方面考慮，希望剖分的板塊規(guī)格越少越好，而從電性能角度考慮，則要求剖分的不同規(guī)格的板塊在整個(gè)球形天線罩表面上分布均勻、隨機(jī)，板塊連接桿件之間的距離要比波長(zhǎng)大得多，從而可以忽略它們相互之間散射的影響[6]，以減少天線瞄準(zhǔn)誤差和峰值副瓣的影響。并要求匯集到同一節(jié)點(diǎn)上的桿件不能太多，以防止法拉第籠效應(yīng)的出現(xiàn)。目前，球形天線罩的剖分方法常利用測(cè)地學(xué)球體技術(shù)[7-9]，選擇一種球形多面體(即正四面、六面、八面、十二面和二十面柏拉圖多面體)，然后，對(duì)各個(gè)面進(jìn)行遞歸剖分，再把各剖分圖形的邊投影到球面上，形成覆蓋整個(gè)球面多層次網(wǎng)格體系。依據(jù)多面體面形狀的不同，可以形成球面三角形、四邊形、五邊形、六邊形等圖斑單元，構(gòu)成進(jìn)一步剖分的基礎(chǔ)。這種剖分在整個(gè)球面范圍內(nèi)是無(wú)縫的、穩(wěn)定的和近似均勻的，細(xì)化剖分也就變得有規(guī)律，不會(huì)雜亂無(wú)章。上述剖分過(guò)程可以采用三維制圖軟件進(jìn)行剖分，使非常復(fù)雜的球面幾何模型數(shù)字化、參數(shù)化[10]。例如：采用球面正十二面體后，每個(gè)形面為球面正五邊形，再將每個(gè)正五邊形分成具有公共頂點(diǎn)的五個(gè)相等的球面等腰三角形，即把整個(gè)天線罩球面分成了60個(gè)全等的球面等腰三角形。顯然，對(duì)于大口徑天線罩，這種剖分后的板塊較大，需要細(xì)化剖分。同理，采用球面正二十面體后，每個(gè)形面為球面等邊三角形，也需要細(xì)化剖分。針對(duì)上述兩種剖分后的球面三角形，可以將每個(gè)球面三角形進(jìn)一步細(xì)分成三個(gè)球面四邊形，每個(gè)球面四邊形又可以細(xì)分成兩個(gè)球面小三角形，一個(gè)球面四邊形也可細(xì)分成17個(gè)、18個(gè)、14/3個(gè)，28/3個(gè)球面三角形[6]。最終，分成可以直接進(jìn)行加工生產(chǎn)的天線罩板塊，圖1為典型球形天線罩分塊圖。

圖1 典型球形天線罩分塊圖及組成圖

2 金屬桁架和連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

空間構(gòu)架式球形天線罩的結(jié)構(gòu)形式可以看作是節(jié)點(diǎn)分布在空間曲面上的空間網(wǎng)架，空間網(wǎng)架中的每一連接桿件看作是一個(gè)空間桿件單元。為增加球形天線罩在風(fēng)載荷下的穩(wěn)定性，天線罩分塊單元一般由許多平面三角形組成，由金屬桁架、連接節(jié)點(diǎn)以及透波窗口組成。由天線罩組成來(lái)看，影響球形天線罩電性能的因素為金屬空間桁架肋陣(或稱連接桿件陣)、連接桿件匯合到一起的節(jié)點(diǎn)(或稱中樞、蓋板)以及透波窗口，如圖2所示。理論上講，球形天線罩剖分后的板塊形式也可以是平面四邊形、五邊形、六邊形等單元形式，并不局限于平面三角形形式。

圖2 金屬桁架和中樞阻擋

金屬桁架的外形一般為矩形，也可以為圓形、橢圓形、三角形或其他形式。令W為金屬桁架阻擋寬度，L為金屬桁架平均桿長(zhǎng)。桁架連接中樞外形一般為圓形，令R為中樞半徑。金屬桁架的電性能影響主要體現(xiàn)在孔徑阻擋、感應(yīng)電流的二次輻射及肋的分布隨機(jī)性這三個(gè)因素[11]。由于中樞尺寸較小，其電性能影響主要體現(xiàn)在幾何光學(xué)阻擋上。對(duì)于大口徑天線罩，桁架阻擋比ρ桿件和中樞阻擋比ρ中樞分別為

(1)

由于孔徑阻擋指被金屬桁架(或中樞)所阻擋的天線輻射孔徑面積與天線輻射孔徑面積之比，可借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，分別獲得天線輻射孔徑內(nèi)桿件數(shù)N和中樞數(shù)M，精確獲得桁架阻擋比ρ桿件和中樞阻擋比ρ中樞。

(2)

式中：S為天線輻射孔徑面積。則金屬空間桁架天線罩的功率傳輸系數(shù)|T|2近似為[11]

|T|2=1-2ρ中樞-2ρ桿件K(r)g(w)

(3)

式中：K(r)為球形天線罩的曲率校正因子，與球半徑有關(guān)，r為球的半徑；g(w)為金屬桁架感應(yīng)電流率的實(shí)部。

空間桁架天線罩的桁架本身產(chǎn)生損耗的經(jīng)驗(yàn)公式為

(4)

式中：G為天線罩空間桁架相對(duì)功率損耗；c為一個(gè)僅與在天線投影面積上天線罩的曲率(或近似地與平均入射角)有關(guān)的參數(shù)；d為桁架深度。一般要求

(5)

金屬空間桁架天線罩引起的瞄準(zhǔn)誤差、對(duì)天線近軸旁瓣影響、對(duì)天線遠(yuǎn)區(qū)旁瓣的影響等參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

3 透波窗口設(shè)計(jì)

根據(jù)球形天線罩透波窗口的結(jié)構(gòu)形式，可分為薄膜單層、A-夾層、C-夾層和多層結(jié)構(gòu)，其透波性能不僅與材料電磁參數(shù)有關(guān)，而且還與電磁波入射角和極化方向有關(guān)。當(dāng)N層透波材料依次疊加在一起時(shí)，就可以等效為N個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)。利用四端網(wǎng)絡(luò)理論可方便分析計(jì)算多層透波材料的透波性能[12-14]。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，常借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，根據(jù)材料的電磁參數(shù)，可以計(jì)算出材料在給定厚度、頻率下的透波性能；給定最小允許透波率，可以設(shè)計(jì)在某頻率范圍或某中心頻率附近最大的工作帶寬與相應(yīng)的材料參數(shù)；給定最小允許透波率與帶寬，可以設(shè)計(jì)材料的電磁參數(shù)。針對(duì)上述理論分析過(guò)程，已編制相應(yīng)的分析計(jì)算軟件。針對(duì)球形天線罩，目前較多采用薄膜單層或A-夾層形式。薄膜單層一般采用PVDF膜材，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高、韌性好、耐候好、壽命長(zhǎng)，而且具有自潔性、疏水性，有助于提高天線罩抗惡劣氣候、防腐蝕、耐老化的能力。A-夾層一般采用高強(qiáng)玻璃布加蜂窩結(jié)構(gòu)或高強(qiáng)玻璃布加泡沫結(jié)構(gòu)。在35GHz時(shí)，優(yōu)化的兩種結(jié)構(gòu)形式的透波性能如圖3、圖4所示。透波窗口透波率可在90%以上。其中，薄膜單層的厚度為2.5 mm，介電常數(shù)為3.0，損耗角正切為0.01；A-夾層玻璃布蒙皮的厚度為0.3 mm，介電常數(shù)為4.0，損耗角正切為0.015，芯層厚度為6.0 mm，介電常數(shù)為1.05，損耗角正切為0.003。

圖3 薄膜單層透波性能

圖4 A-夾層透波性能

4 球形毫米波天線罩安裝架設(shè)

球形毫米波天線罩安裝架設(shè)可分為兩種方式，一種是整體膜材吊裝安裝方式(透波窗口為整體透波膜材)，如圖5所示。另一種是單元板塊逐步拼裝方式，如圖6所示。針對(duì)整體膜材吊裝安裝方式，首先，在安裝基礎(chǔ)上安裝金屬桿件支座。然后，自下而上逐步安裝金屬桿件，安裝時(shí)嚴(yán)格控制金屬桿件的裝配精度，等到所有金屬桿件全部安裝完畢，金屬桿件網(wǎng)架就構(gòu)成了完整的受力結(jié)構(gòu)，此時(shí)，利用吊車再安裝天線罩透波膜材。最后，張緊膜材，形成完整的膜結(jié)構(gòu)。針對(duì)單元板塊逐步拼裝方式，選擇適宜戶外作業(yè)的天氣，短時(shí)間完成。按照單元板塊安裝的順序，先安裝第一層基礎(chǔ)板塊，將第一層板塊用螺栓連接，調(diào)整好板塊間隙，余下板塊安裝與第一層安裝方法相同，以此類推，直至安裝完畢。

圖5 空間膜結(jié)構(gòu)

圖6 整體天線罩

5 電性能試驗(yàn)驗(yàn)證

毫米波頻率高，信號(hào)空間衰減大，測(cè)試環(huán)境要求嚴(yán)?？紤]到實(shí)地遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的可行性，研制了一個(gè)直徑7 m，頻率20 GHz的金屬空間桁架天線罩，如圖7所示。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線、測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)及測(cè)試儀表組成，同時(shí)，利用安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的同步發(fā)送器，將轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試精度提高到秒級(jí)。為提高測(cè)試信號(hào)，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在20 GHz的前饋拋物面發(fā)射天線，其增益40 dB以上，并且在天線邊緣配置了高倍望遠(yuǎn)鏡，用于初對(duì)電波信號(hào)。接收天線采用單脈沖五喇叭卡塞格倫天線，其3 dB波束寬度約13′，在饋源邊緣配置了高倍望遠(yuǎn)鏡，也是用于初對(duì)電波信號(hào)，其天線口徑大于4 m，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試距離大于3 km，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件。

圖7 加金屬桁架天線罩后的天線

試驗(yàn)用天線罩金屬桁架的橫截面外形為矩形，桁架寬度W=10.8 mm，桁架深度d=15.7 mm，連接節(jié)點(diǎn)影響小，可忽略不計(jì)，桁架隨機(jī)分塊。金屬桁架天線罩單程功率傳輸損耗與頻率的關(guān)系曲線如圖8所示。典型和差遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如圖9～圖12所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出，金屬空間桁架天線罩引起的插入損耗小于0.75 dB，引起天線的最大瞄準(zhǔn)誤差小于0.008 3°，旁瓣影響小于1.0 dB。上述實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析相吻合。

圖8 天線罩單程功率傳輸損耗

圖9 加罩、不加罩和方向圖比較

圖10 加罩、不加罩和方向圖比較(局部)

圖11 加罩、不加罩差方向圖比較

圖12 加罩、不加罩差方向圖比較(局部)

6 結(jié)束語(yǔ)

球形毫米波金屬空間桁架天線罩是一種新型的寬頻帶天線罩，相對(duì)于介質(zhì)桁架天線罩，金屬空間桁架天線罩能夠承受更大的風(fēng)載，在較寬的頻帶內(nèi)，直到毫米波段，均具有較低的和相對(duì)穩(wěn)定的傳輸損耗，具有無(wú)線電技術(shù)特性穩(wěn)定、頻帶寬、可靠性高、使用方便和性價(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn)。在測(cè)控系統(tǒng)、射電觀察系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地面雷達(dá)系統(tǒng)以及大型艦載雷達(dá)系統(tǒng)等諸多方面具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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唐守柱 男，1973年生，研究員。研究方向?yàn)樘炀€罩和電磁隱身。

劉興貴 男，1972年生，高工。研究方向?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)天饋線系統(tǒng)。

何炳發(fā) 男，1963年生，研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)天饋線系統(tǒng)。

A Study on Spherical-shell Millimeter-wave Metal Space Frame Radome

TANG Shouzhu，LIU Xinggui，HE Bingfa

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

Design of spherical-shell millimeter-wave metal space frame radome is described in detail. It includes design of pherical geometrys space subdivision, design of metal Frame, design of nodes, design of electromagnetic window and assembling and erection of radome.We design and manufacture a 20 GHz metal space frame radome.It's diameter is 7 m.The measuring results coincides very well with the calculating results．It is proved that the Analysis Method of this paper is right．We can apply the method to analysis electrical performance of all kinds of large radomes and design of radome types.

electrical large size; millimeter-wave; metal frames radome; dielectric frames radome; transmissivity

10. 16592/ j. cnki. 1004-7859. 2015. 09. 013

唐守柱 Email：tangsz111@sina.com

2015-04-15

2015-07-19

TN821+.8

A

1004-7859(2015)09-0055-05