球型毫米波金属桁架天线罩研究

唐守柱，刘兴贵，何炳发

(南京电子技术研究所， 南京 210039)



·天馈伺系统·

球型毫米波金属桁架天线罩研究

唐守柱，刘兴贵，何炳发

(南京电子技术研究所， 南京 210039)

从球形毫米波天线罩的空间分块设计、金属桁架和连接节点设计、透波窗口设计以及安装架设方式等方面进行了详细论述，并通过一直径7 m、工作在20 GHz的金属空间桁架天线罩的设计实例和实验研究，证明文中所用方法行之有效，可推广应用于各种大型天线罩的电性能分析和选形设计。

电大尺寸；毫米波；金属桁架天线罩；介质桁架天线罩；透波率

0 引 言

毫米波是介于微波与光波之间的电磁波，通常，毫米波频段是指30 GHz～300 GHz，相应波长为1 mm～10 mm[1-3]。 其低端毗邻厘米波段, 具有厘米波段全天候的特点, 高端邻接红外波段, 具有红外波段的高分辨力特点。目前，绝大多数的应用研究集中在几个“窗口”频率，包括35 GHz、45 GHz、94 GHz、140 GHz、220 GHz。随着大口径毫米波天线的广泛应用[4]，对保护这种大型天线的天线罩提出了更高的电讯、结构、制造、安装以及维护等要求，透波率高、强度好、重量轻、外观精美是设计者追求的目标。这类大型毫米波天线口径尺寸大，天线波束窄，电讯指标要求高，承受风压、冰雪载荷大。大口径毫米波天线罩的采用提供了许多的好处，可以在保持结构、温度、闪电、风、雨、冰、雪、雹等载荷的同时，得到所要求的天线电气性能，改善天线的工作环境，提高其精度。为适应毫米波大口径天线罩的发展，金属空间桁架天线罩就应运而生[5]。它是一种高通滤波器，用途广泛，尺寸可大可小，能够承受更大的风速，且宽带性能好，性价比高。对于金属空间桁架天线罩，金属杆件比介质杆件的弹性模数大得多，建造一个金属空间桁架罩，横断面比介质杆件横断面小得多的金属杆件，就可以承受同样的结构负载。

1 球形毫米波天线罩空间分块设计

球形毫米波天线罩空间几何分块是设计中的一个重要环节，要求同时兼顾电性能、结构、制造工艺等方面。从制造方面考虑，希望剖分的板块规格越少越好，而从电性能角度考虑，则要求剖分的不同规格的板块在整个球形天线罩表面上分布均匀、随机，板块连接杆件之间的距离要比波长大得多，从而可以忽略它们相互之间散射的影响[6]，以减少天线瞄准误差和峰值副瓣的影响。并要求汇集到同一节点上的杆件不能太多，以防止法拉第笼效应的出现。目前，球形天线罩的剖分方法常利用测地学球体技术[7-9]，选择一种球形多面体(即正四面、六面、八面、十二面和二十面柏拉图多面体)，然后，对各个面进行递归剖分，再把各剖分图形的边投影到球面上，形成覆盖整个球面多层次网格体系。依据多面体面形状的不同，可以形成球面三角形、四边形、五边形、六边形等图斑单元，构成进一步剖分的基础。这种剖分在整个球面范围内是无缝的、稳定的和近似均匀的，细化剖分也就变得有规律，不会杂乱无章。上述剖分过程可以采用三维制图软件进行剖分，使非常复杂的球面几何模型数字化、参数化[10]。例如：采用球面正十二面体后，每个形面为球面正五边形，再将每个正五边形分成具有公共顶点的五个相等的球面等腰三角形，即把整个天线罩球面分成了60个全等的球面等腰三角形。显然，对于大口径天线罩，这种剖分后的板块较大，需要细化剖分。同理，采用球面正二十面体后，每个形面为球面等边三角形，也需要细化剖分。针对上述两种剖分后的球面三角形，可以将每个球面三角形进一步细分成三个球面四边形，每个球面四边形又可以细分成两个球面小三角形，一个球面四边形也可细分成17个、18个、14/3个，28/3个球面三角形[6]。最终，分成可以直接进行加工生产的天线罩板块，图1为典型球形天线罩分块图。

图1 典型球形天线罩分块图及组成图

2 金属桁架和连接节点设计

空间构架式球形天线罩的结构形式可以看作是节点分布在空间曲面上的空间网架，空间网架中的每一连接杆件看作是一个空间杆件单元。为增加球形天线罩在风载荷下的稳定性，天线罩分块单元一般由许多平面三角形组成，由金属桁架、连接节点以及透波窗口组成。由天线罩组成来看，影响球形天线罩电性能的因素为金属空间桁架肋阵(或称连接杆件阵)、连接杆件汇合到一起的节点(或称中枢、盖板)以及透波窗口，如图2所示。理论上讲，球形天线罩剖分后的板块形式也可以是平面四边形、五边形、六边形等单元形式，并不局限于平面三角形形式。

图2 金属桁架和中枢阻挡

金属桁架的外形一般为矩形，也可以为圆形、椭圆形、三角形或其他形式。令W为金属桁架阻挡宽度，L为金属桁架平均杆长。桁架连接中枢外形一般为圆形，令R为中枢半径。金属桁架的电性能影响主要体现在孔径阻挡、感应电流的二次辐射及肋的分布随机性这三个因素[11]。由于中枢尺寸较小，其电性能影响主要体现在几何光学阻挡上。对于大口径天线罩，桁架阻挡比ρ杆件和中枢阻挡比ρ中枢分别为

(1)

由于孔径阻挡指被金属桁架(或中枢)所阻挡的天线辐射孔径面积与天线辐射孔径面积之比，可借助于计算机辅助设计，分别获得天线辐射孔径内杆件数N和中枢数M，精确获得桁架阻挡比ρ杆件和中枢阻挡比ρ中枢。

(2)

式中：S为天线辐射孔径面积。则金属空间桁架天线罩的功率传输系数|T|2近似为[11]

|T|2=1-2ρ中枢-2ρ杆件K(r)g(w)

(3)

式中：K(r)为球形天线罩的曲率校正因子，与球半径有关，r为球的半径；g(w)为金属桁架感应电流率的实部。

空间桁架天线罩的桁架本身产生损耗的经验公式为

(4)

式中：G为天线罩空间桁架相对功率损耗；c为一个仅与在天线投影面积上天线罩的曲率(或近似地与平均入射角)有关的参数；d为桁架深度。一般要求

(5)

金属空间桁架天线罩引起的瞄准误差、对天线近轴旁瓣影响、对天线远区旁瓣的影响等参见文献[11]。

3 透波窗口设计

根据球形天线罩透波窗口的结构形式，可分为薄膜单层、A-夹层、C-夹层和多层结构，其透波性能不仅与材料电磁参数有关，而且还与电磁波入射角和极化方向有关。当N层透波材料依次叠加在一起时，就可以等效为N个四端网络的级联。利用四端网络理论可方便分析计算多层透波材料的透波性能[12-14]。在具体设计过程中，常借助于计算机辅助设计，根据材料的电磁参数，可以计算出材料在给定厚度、频率下的透波性能；给定最小允许透波率，可以设计在某频率范围或某中心频率附近最大的工作带宽与相应的材料参数；给定最小允许透波率与带宽，可以设计材料的电磁参数。针对上述理论分析过程，已编制相应的分析计算软件。针对球形天线罩，目前较多采用薄膜单层或A-夹层形式。薄膜单层一般采用PVDF膜材，其特点是强度高、韧性好、耐候好、寿命长，而且具有自洁性、疏水性，有助于提高天线罩抗恶劣气候、防腐蚀、耐老化的能力。A-夹层一般采用高强玻璃布加蜂窝结构或高强玻璃布加泡沫结构。在35GHz时，优化的两种结构形式的透波性能如图3、图4所示。透波窗口透波率可在90%以上。其中，薄膜单层的厚度为2.5 mm，介电常数为3.0，损耗角正切为0.01；A-夹层玻璃布蒙皮的厚度为0.3 mm，介电常数为4.0，损耗角正切为0.015，芯层厚度为6.0 mm，介电常数为1.05，损耗角正切为0.003。

图3 薄膜单层透波性能

图4 A-夹层透波性能

4 球形毫米波天线罩安装架设

球形毫米波天线罩安装架设可分为两种方式，一种是整体膜材吊装安装方式(透波窗口为整体透波膜材)，如图5所示。另一种是单元板块逐步拼装方式，如图6所示。针对整体膜材吊装安装方式，首先，在安装基础上安装金属杆件支座。然后，自下而上逐步安装金属杆件，安装时严格控制金属杆件的装配精度，等到所有金属杆件全部安装完毕，金属杆件网架就构成了完整的受力结构，此时，利用吊车再安装天线罩透波膜材。最后，张紧膜材，形成完整的膜结构。针对单元板块逐步拼装方式，选择适宜户外作业的天气，短时间完成。按照单元板块安装的顺序，先安装第一层基础板块，将第一层板块用螺栓连接，调整好板块间隙，余下板块安装与第一层安装方法相同，以此类推，直至安装完毕。

图5 空间膜结构

图6 整体天线罩

5 电性能试验验证

毫米波频率高，信号空间衰减大，测试环境要求严。考虑到实地远场测试的可行性，研制了一个直径7 m，频率20 GHz的金属空间桁架天线罩，如图7所示。远场测试系统主要由发射天线、接收天线、测试转台及测试仪表组成，同时，利用安装在转台上的同步发送器，将转台的测试精度提高到秒级。为提高测试信号，设计了一个工作在20 GHz的前馈抛物面发射天线，其增益40 dB以上，并且在天线边缘配置了高倍望远镜，用于初对电波信号。接收天线采用单脉冲五喇叭卡塞格伦天线，其3 dB波束宽度约13′，在馈源边缘配置了高倍望远镜，也是用于初对电波信号，其天线口径大于4 m，远场测试距离大于3 km，满足远场测试条件。

图7 加金属桁架天线罩后的天线

试验用天线罩金属桁架的横截面外形为矩形，桁架宽度W=10.8 mm，桁架深度d=15.7 mm，连接节点影响小，可忽略不计，桁架随机分块。金属桁架天线罩单程功率传输损耗与频率的关系曲线如图8所示。典型和差远场测试结果如图9～图12所示。从测试结果可以看出，金属空间桁架天线罩引起的插入损耗小于0.75 dB，引起天线的最大瞄准误差小于0.008 3°，旁瓣影响小于1.0 dB。上述实测结果与理论分析相吻合。

图8 天线罩单程功率传输损耗

图9 加罩、不加罩和方向图比较

图10 加罩、不加罩和方向图比较(局部)

图11 加罩、不加罩差方向图比较

图12 加罩、不加罩差方向图比较(局部)

6 结束语

球形毫米波金属空间桁架天线罩是一种新型的宽频带天线罩，相对于介质桁架天线罩，金属空间桁架天线罩能够承受更大的风载，在较宽的频带内，直到毫米波段，均具有较低的和相对稳定的传输损耗，具有无线电技术特性稳定、频带宽、可靠性高、使用方便和性价比高等一系列优点。在测控系统、射电观察系统、卫星通信系统、地面雷达系统以及大型舰载雷达系统等诸多方面具有较高的实用价值。

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唐守柱 男，1973年生，研究员。研究方向为天线罩和电磁隐身。

刘兴贵 男，1972年生，高工。研究方向为毫米波雷达天馈线系统。

何炳发 男，1963年生，研究员。研究方向为雷达天馈线系统。

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