一种低损耗高强度馈源支撑透波罩设计

王 铮，武彦飞，谢 萍，白龙斌

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;2.中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北 石家庄 050081)

0 引言

反射面天线具有结构简单、可靠性高、增益高和频带宽等特点，广泛应用于卫星通信、测控、雷达、遥感和气象等诸多领域[1]。目前，地面所使用的反射面天线多为固面天线，然而随着车载、船载等可移动式天线的需求量增大，高精度、大口径、高效率的可展开反射面天线正在成为新的发展趋势[2]。

文献[3]介绍了固体可展开反射面天线是将反射面分为若干片状，随载体平台移动时收藏为花瓣聚拢状态，天线工作时靠伺服驱动片状反射面展开为花瓣绽放状态，此时片状反射面拼接为完整的固体反射面。文献[4]介绍了标准固体可展开反射面天线系统主体结构由片状拼接反射面板、前馈馈源、伺服驱动系统和支撑座架等构成。文献[5-7]的研究表明，前馈馈源的相位中心应与抛物反射面体的焦点重合，因此需要设计馈源支撑固定结构保证二者之间的工作位置关系。为避免与片状反射面板的运动产生干涉，固体可展开反射面天线一般采用馈源自支撑结构，即通过支撑结构将馈源固定在反射面的中心轴位置。

文献[8]介绍了对于反射面天线馈源支撑多采用撑杆结构，撑杆之间焊接有钢管用以加强副面支撑。这方面研究多集中在结构设计方面，力求设计出结构简单、质量较轻，并且加工和装配均方便的副面支撑结构，既节约了材料的种类、使用量和成本，同时又降低了加工和装配时的工作强度和难度。文献[9]提出了用副反射面实时调整减小重力变形影响的方法，分析了副反射面位置平移和旋转对天线增益和指向的影响，并建立了副反射面姿态随天线仰角角度变化的数学模型。文献[10]提出采用并联式Stewart平台作为副反射面调整机构，基于天线主面和副面全位姿工作状态下各杆受力最优，并兼顾工作空间及避免杆件间干涉等因素，开展副面调整机构构型综合设计，获得了满足预期性能要求的机构构型参数，并求解出该构型下机构的工作空间，验证了构型参数综合设计方法的有效性。文献[8]设计了一种加工简单、安装方便的副面支撑结构，并运用有限元分析软件进行优化，副面支撑结构不仅在加工和装配工艺方面较原有结构大大简化，也减少了零部件的种类和数量。

文献[11]提出，金属结构的引入将对馈源入射波形成强烈的电磁散射，造成较大损耗，严重影响天线的辐射性能。因此，当前大部分馈源支撑设计采用与反射面边缘连接的撑杆结构或笼型金属自支撑杆结构，尽可能避免遮挡馈源与反射面间的电磁传输路径，降低天线损耗[12-15]。但这种支撑结构只适用于固定反射面天线，无法实现反射面天线的动态收展。

本文设计了一种可应用于固体可展开反射面天线的新型低损耗高强度馈源支撑结构，该馈源支撑采用A夹层天线罩结构，两端通过金属法兰分别与反射面中心圆柱体以及馈源连接，具有良好的结构强度和较低的插入损耗，既能起到对馈源的稳固支撑作用，又能实现高效透波，避免了紧凑型金属支撑结构对电磁波的遮挡，从而提高天线的辐射效率。该馈源支撑结构简单紧凑，兼顾结构、透波以及环境适应性等多方面性能，特别适用于固体可展开反射面天线，也可应用于固定反射面天线，具有重要的工程应用意义。

1 馈源自支撑结构设计

为实现片状反射面天线的动态收展，馈源自支撑应采用紧凑型自支撑结构，常用的方式是利用4根金属支撑杆将馈源固定在中心轴的焦点位置上，如图1所示。对此支撑结构进行电磁仿真分析，其电场分布如图2所示。可以看到，紧凑型的金属支撑杆结构遮挡了电磁波的传输路径，对馈源辐射的入射波形成较强的电磁散射，严重影响反射面的波束聚焦效果。

图1 馈源自支撑结构Fig.1 Self-supporting structure of feed

图2 金属支撑杆结构的馈源辐射电场分布Fig.2 Electric field distribution of the feed support with metal

为避免金属支撑杆的遮挡影响，提出了一种基于复合材料的低损耗高强度馈源自支撑结构，如图3所示。该自支撑结构为高强度复合材料天线罩筒，两端通过金属连接法兰分别与馈源以及反射面中心圆柱体连接，通过止口进行定位。

图3 基于复合材料的馈源自支撑结构Fig.3 Self-supporting structure of feed based on composite material

采用这种基于复合材料的馈源支撑罩筒，可以省去金属支撑杆结构，避免了金属结构对馈源入射波的散射效应，从而有效降低天线损耗。该馈源支撑罩的透波区采用蜂窝夹层结构，根据工作频率以及电磁波入射角对罩体参数进行优化设计，并通过力学性能校核，最终完成低损耗、高强度的馈源支撑罩体设计。

2 低损耗高强度支撑罩体优化设计

常用的天线罩主要包括层合板结构、A夹层结构、C夹层结构和多夹层结构等。电磁波在介质中的传播可以等效为传输线，利用四端口网络理论分析。根据四端口理论，多层介质平板的电参数结构[16-19]，可以视为N个四端网络的级联，总的转移矩阵为各分网络转移矩阵的乘积：

式中，N为多层介质板的总层数；A，B，C，D为转移矩阵参数，与电磁波频率、材料的介电常数、损耗角正切、材料厚度以及入射角度相关。

对于多层介质罩，假设入射和出射空间均为自由空间，则该多层平板介质的透过系数为：

为尽可能降低插入损耗，要求天线罩具有较高的透波系数，此外，为适应车载固体可展开反射面天线高速转动与馈源端设备载重要求，天线罩还需提供较高的结构支撑强度。因此，综合选择多夹层罩体结构，以同时兼顾良好的透波率与高结构强度。

本文最终选择A夹层结构设计天线罩透波区域，其中间芯层材料为蜂窝材料，内外两层蒙皮为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，具体参数如表1所示。

表1 馈源支撑罩体材料参数Tab.1 Material parameters of feed support radome

为得到最优透波系数以及最优的结构强度，罩体厚度参数优化过程以遗传算法为优化方法，使用等效传输线理论计算平均平板透波性能，有限元法计算罩体力学性能，以透波系数为优化目标，以力学性能指标为约束，进行复合材料天线罩体厚度参数优化。优化流程如图4所示。

图4 基于遗传算法的复合材料罩体优化设计流程Fig.4 Optimization design flow of the radome with composite material based on genetic algorithm

基于遗传算法的具体优化设计过程为：① 确定具体的优化目标、约束条件与设计变量，随机生成初始种群；② 对天线罩外形进行网格离散，根据载荷约束、位移约束等条件建立有限元模型，根据工作频段、入射角范围建立平板透波性能计算模型；③ 针对初始种群个体参数，利用等效传输理论计算平板透波性能，并使用仿真软件计算罩体的力学性能，得到个体适应度值；④ 比较初始种群个体适应度值，找到最优解个体；⑤ 对上代种群进行选择、交叉与变异操作，生成新种群；⑥ 通过迭代优化，直至进化代数终止，找到最优值。

馈源辐射的电磁波经过罩体的最大入射角约为70°，馈源工作在L/S频段，遗传算法的优化目标为在工作频率1.5～2.5 GHz及电磁波入射角0°～70°内，其最低透波率Tmin最高，同时设置力学性能约束条件，在极限载荷作用下，馈源支撑罩的最大变形量dmax≤1 mm。设计变量包括内外蒙皮厚度d1,取值[0.5,1.4]mm；蒙皮材料单层实际厚度0.2 mm，变量间隔0.2 mm；芯层厚度为d2，取值[10,20]mm，变量间隔0.5 mm，则罩体优化数学模型可表示为：

各代种群中个体最优适应度值的变化曲线如图5所示。

图5 各代种群最优适应度值变化曲线Fig.5 Variation curve of optimal fitness values of each generation population

由图5可以看出，经过上述迭代优化，适应度值最优时的Tmin为81.5%，平均透波系数达89.2%，此时，在20 kg最大载荷情况下天线罩最大变形量为0.8 mm。对应于此适应度值，复合材料罩体蒙皮厚度d1为1 mm，芯层厚度d2为18 mm。

3 支撑结构电气性能仿真分析

为验证上述优化设计复合材料支撑罩体的电气性能，首先对采用最优厚度结果的复合材料平板罩体结构性能进行电磁仿真计算。该材料结构的传输系数仿真结果如图6所示。可以看到，在整个工作频段以及0°～70°入射角，透射系数在-0.9 dB以内，即最小透波率约为81.3%，与优化结果一致。

图6 复合材料平板罩体结构传输系数仿真结果Fig.6 Simulation results of transmission coefficient of flat radome with composite material

本文以6.5 m前馈反射面天线系统为分析对象，采用优化后的材料厚度参数建立复合材料馈源支撑罩体模型。为适应反射面天线收藏状态空间尺寸，罩体采用紧凑型圆锥筒外形，两端通过金属法兰分别与反射面中心的圆柱体以及馈源连接，馈源采用阵列天线形式，工作频段为L/S频段，通过电磁仿真软件对天线性能进行计算分析。

反射面天线加载馈源支撑透波罩前后的增益方向图对比如图7所示。

(a) f=1.8 GHz

馈源支撑罩对天线性能的影响如表2所示。

表2 馈源支撑罩对天线性能影响Tab.2 Performance influence of feed support on the antenna

分析可知，优化设计的馈源支撑透波罩对天线增益影响较小，罩体引起的插入损耗在0.5 dB以内，具有良好的透波性能，第一旁瓣抬升相对明显，约为5～8 dB，不影响实际使用。

4 支撑结构力学仿真分析

本文提出的复合材料馈源支撑罩用于车载可展开反射面天线，天线工作过程中，馈源随反射面高速转动，且馈源端需承重设备载荷。建立馈源支撑罩有限元分析模型如图8所示。该模型采用C3D8 R六面体实体单元，共有31 108个节点和15 646个单元。

图8 馈源支撑罩有限元分析模型Fig.8 Finite element analysis model of feed support radome

将固定基座简化为固定参考点，俯仰结构与之建立铰接关系，然后对其施加转动角加速度。将基座点固定，对转动结构施加绕X轴方向的转动加速度25 (°)/s2，同时对整个结构施加Z轴方向的重力载荷。将馈源以质量点方式施加于其连接面，质量为20 kg，其他各部分结构的连接部分通过绑定约束进行连接，受力仿真结果如图9所示。

图9 馈源支撑罩受力仿真结果Fig.9 Simulation results of the force acting on the feed support radome

由图9可以看出，在极限载荷情况下，支撑罩体形变量在1 mm以内，最大应力约130 Mpa，位于与馈源连接的金属法兰上，该应力值低于材料许用应力，在安全范围内。验证了本文设计的基于复合材料的馈源支撑罩具有良好的结构力学强度。

5 结束语

本文设计了一种采用复合材料圆锥天线罩筒结构的低损耗高强度馈源支撑结构。该馈源支撑采用A夹层结构并利用遗传算法进行，实现了低损耗透波与高强度结构支撑的综合设计目标。仿真结果表明，这种馈源支撑罩对天线辐射性能影响较小，在L/S频段插入损耗小于0.5 dB，且在极限载荷情况下罩体形变量在1 mm以内，具有较高的结构强度。

该馈源支撑设计损耗小、强度高、结构紧凑、占用空间小，且具有防沙尘和防水功能，环境适应性好，特别适用于馈源支撑部分空间受限的固体可展开反射面天线，也可应用于固定反射面天线，具有广阔的工程应用前景。