如何設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固、輕便且能讓信號(hào)以最小損失通過(guò)的天線罩？美國(guó)國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室(NAL) 采用 SIMULIA CST Studio Suite來(lái)虛擬優(yōu)化蜂窩天線罩結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真，NAL 在33-36 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 90% 的信號(hào)傳輸，無(wú)需昂貴的原型設(shè)計(jì)即可提供高性能。

挑戰(zhàn)：設(shè)計(jì)輕型天線罩，在不影響性能的情況下保護(hù)天線。他們開(kāi)發(fā)了一種堅(jiān)固且輕便的蜂窩結(jié)構(gòu)，但需要一種解決方案來(lái)優(yōu)化該結(jié)構(gòu)以獲得最佳性能。

解決方案：國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室使用CST Studio Suite來(lái)優(yōu)化天線罩的電磁特性。使用 CST Studio Suite，他們可以模擬單元單元級(jí)別的蜂窩結(jié)構(gòu)或整個(gè)天線罩結(jié)構(gòu)，甚至平臺(tái)上的安裝性能。

優(yōu)點(diǎn)： NAL 開(kāi)發(fā)了一種在 33-36 GHz 頻段傳輸率 >90% 的天線罩。

國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室是誰(shuí)？

國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室 (NAL)是印度科學(xué)與工業(yè)研究委員會(huì) (CSIR) 的組成部分。成立于 1959 年，其使命是專注于先進(jìn)航空航天技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。它開(kāi)發(fā)新的航空航天技術(shù)，制造中小型飛機(jī)，并支持印度的國(guó)家航空航天計(jì)劃和工業(yè)。

航空航天技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域是天線系統(tǒng)。安裝在飛機(jī)和地面站上的天線用于發(fā)送和接收用于通信的無(wú)線電和數(shù)據(jù)信號(hào)以及用于導(dǎo)航和測(cè)距的雷達(dá)信號(hào)。任何航空航天天線系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是天線罩。

什么是雷達(dá)罩？

天線罩（雷達(dá)罩的縮寫(xiě)）是一種覆蓋物，可保護(hù)天線免受損壞、天氣和污垢的影響，并改善天線安裝平臺(tái)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。它們廣泛用于雷達(dá)地面站、通信塔和飛機(jī)天線等應(yīng)用。天線罩需要對(duì)感興趣頻段的無(wú)線電波透明（無(wú)論入射角度和偏振如何），而且堅(jiān)固、輕便且防風(fēng)雨。

天線罩設(shè)計(jì)的主要電磁挑戰(zhàn)是確保通過(guò)該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)傳輸。每當(dāng)電磁波到達(dá)材料之間的界面時(shí)，部分能量就會(huì)被反射或吸收，而不是傳輸。兩種材料之間的電磁阻抗失配越大，反射就越大。理想情況下，天線罩在相關(guān)頻率下應(yīng)具有與周?chē)諝庀嗤碾姶盘匦?，以確保完美的傳輸。材料中的能量也會(huì)因介電損耗而損失——電磁波能量在材料中轉(zhuǎn)化為熱量。

使用蜂窩夾層改善傳輸

為了設(shè)計(jì)高性能天線罩，美國(guó)國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室 (NAL) 采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。這種聽(tīng)起來(lái)悅耳的材料是一種層狀結(jié)構(gòu)，外層很薄，外層之間有填充層，呈空的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、重量輕，而且由于外皮層很薄，介電損耗很小。

從電磁角度來(lái)看，優(yōu)化性能主要意味著優(yōu)化中央蜂窩層的厚度和幾何形狀。由于可用材料的限制以及結(jié)果并不總是可以在不同材料厚度之間轉(zhuǎn)移的事實(shí)，僅使用物理原型和測(cè)試來(lái)完成此操作非常耗時(shí)且并不總是可行。

通過(guò)仿真優(yōu)化天線罩性能

為了優(yōu)化天線罩蜂窩結(jié)構(gòu)以獲得最佳性能，NAL 轉(zhuǎn)向了SIMULIA CST Studio Suite。這是一款業(yè)界領(lǐng)先的電磁仿真軟件，具有針對(duì)不同頻率和規(guī)模的電磁問(wèn)題的廣泛求解器技術(shù)。蜂窩結(jié)構(gòu)可以在 CST Studio Suite 中模擬單元級(jí)或整個(gè)天線罩結(jié)構(gòu)，甚至平臺(tái)上的安裝性能。

圖 1：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖，顯示了可以優(yōu)化的參數(shù)。

NAL 使用參數(shù)優(yōu)化來(lái)快速研究厚度和幾何形狀的變化如何影響電磁性能。在下面所示的示例中，NAL 希望開(kāi)發(fā)一種適用于 33-36 GHz 雷達(dá)頻段的天線罩材料。這是毫米波頻率，意味著材料中的介電損耗預(yù)計(jì)相對(duì)較高；需要仔細(xì)優(yōu)化才能將它們保持在可接受的水平。

仿真能夠?qū)φ麄€(gè)頻段以及任何極化和角度的性能進(jìn)行建模。研究人員不受可用于測(cè)試的材料的限制，而是可以探索整個(gè)設(shè)計(jì)空間來(lái)發(fā)展理論并找到最佳設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)的匹配程度足以讓 NAL 對(duì)他們的理論充滿信心。

借助單個(gè)界面中的所有 CST Studio Suite 解算器技術(shù)，NAL 還能夠執(zhí)行混合仿真，使用多個(gè)解算器來(lái)模擬安裝在平臺(tái)上的復(fù)雜天線天線罩系統(tǒng)，并使用熱解算器來(lái)計(jì)算天線罩如何因吸收能量而升溫。

最終結(jié)果如下所示。在 CST Studio Suite 中優(yōu)化的天線罩設(shè)計(jì)在感興趣的頻段上實(shí)現(xiàn)了低于 -10 dB 的反射系數(shù) (S 11 ) 和接近 0 dB 的傳輸系數(shù) (S12)。通過(guò)仿真，NAL 確保超過(guò) 90% 的能量在所有極化的所有頻率下通過(guò)天線罩傳輸。