高性能動(dòng)中通天線罩設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用

1、高性能動(dòng)中通天線罩設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用1、引言“動(dòng)中通”衛(wèi)星移動(dòng)通信是指載體在移動(dòng)過程中仍能通過同步衛(wèi)星保持正常的通信聯(lián)絡(luò)?！皠?dòng)中通”除了具有衛(wèi)星通信覆蓋區(qū)域廣、不受地形地域限制、傳輸線路穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)外，真正實(shí)現(xiàn)了寬帶、移動(dòng)通信的目的。其主要由衛(wèi)星自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)兩部分組成，采用自主跟蹤、信號閉環(huán)等新技術(shù)，很好的解決了各種車輛、輪船等移動(dòng)載體在運(yùn)動(dòng)中通過地球同步衛(wèi)星，實(shí)時(shí)不斷的傳遞語音、數(shù)據(jù)、高清晰的動(dòng)態(tài)視頻圖像、傳真等多媒體信息的難關(guān)，使通信領(lǐng)域的一次重大的突破，是當(dāng)前衛(wèi)星通信領(lǐng)域需求旺盛、發(fā)展迅速的應(yīng)用，在軍民兩個(gè)領(lǐng)域都有極為廣泛的發(fā)展前景。為了能夠保護(hù)天線在載體運(yùn)動(dòng)過程中不受風(fēng)

2、壓，保證各種環(huán)境條件下的實(shí)時(shí)通信需求，必須為天線配備具有足夠的安全系數(shù)，高透波率，低損耗的高性能動(dòng)中通天線罩。之合公司近年來多次參與了“動(dòng)中通”通信系統(tǒng)的研制，負(fù)責(zé)制作高性能動(dòng)中通天線罩，通過這些研制過程，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為用戶提供滿足使用要求的高性能動(dòng)中通天線罩，并且已有批量化的產(chǎn)品。在“512”抗震救災(zāi)行動(dòng)中，配備有本公司高性能動(dòng)中通天線罩的衛(wèi)星直通車實(shí)時(shí)將溫總理現(xiàn)場指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)、慰問災(zāi)民的視頻圖像傳回公安部，確保了國務(wù)院抗震救災(zāi)指揮部的通信暢通?！皠?dòng)中通”通信系統(tǒng)通常選擇Ku波段中12-14.75GHz。本文介紹了高性能動(dòng)中通天線罩的研制過程，研究了高性能天線罩材料的基本性能，通過計(jì)算

3、，得出應(yīng)用于Ku波段的鋪層體系。利用ansys軟件，對某次設(shè)計(jì)的高性能動(dòng)中通天線罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并簡單介紹了研制的工藝步驟。2、材料體系用于天線罩的復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和樹脂基體構(gòu)成的，兩者的電性能好，才能成型出好的透波材料。下表1、3、4中列舉了一些用于天線罩的增強(qiáng)纖維、基體樹脂以及夾層材料的基本性能2,3,4。表1 天線罩增強(qiáng)纖維基本性能材料相對密度拉伸強(qiáng)度/GPa彈性模量/GPa介電常數(shù)(9.375109Hz)介電損耗角正切(9. 375109Hz)E 玻纖 2.54 3. 45 72. 06.130.0039S玻纖2. 49 4. 00 85. 0 5. 210. 0068D 玻纖2

4、. 162. 40 52. 0 4. 00 0. 0026石英玻纖2. 20 1. 70 72. 0 3. 78 0. 0002芳綸491. 45 3. 45 137 3. 58 0. 01因?yàn)楦咝阅軇?dòng)中通天線罩對蒙皮要求很高，需要很薄的內(nèi)外蒙皮，精度要求高。故選擇S玻纖，其力學(xué)性能優(yōu)勢明顯，可適當(dāng)減少蒙皮厚度，對蒙皮厚度的精度要求有了一定的余量。選用中材科技的特種高強(qiáng)玻璃纖維布作為增強(qiáng)材料，能夠相應(yīng)減少蒙皮的厚度，對提高產(chǎn)品的透波性能有顯著效果。如下表2：表2 某種特種纖維力學(xué)測試結(jié)果試 驗(yàn) 項(xiàng) 目依 據(jù) 標(biāo) 準(zhǔn)實(shí)測值標(biāo)準(zhǔn)號指標(biāo)值平均值拉伸斷裂強(qiáng)力（N/25mm）經(jīng) 向BX647-20021

5、9002503緯 向16002171可燃物含量0.51.00.72經(jīng)緯密度（根/cm）經(jīng)向18118.1緯向14114.4表3 天線罩基體材料電性能材料比重介電常數(shù)介電損耗角正切106Hz9. 375 109Hz106Hz9. 375 109Hz環(huán)氧1. 201. 223. 25. 02. 780. 0100. 0190. 012酚醛環(huán)氧1. 181. 213. 40. 024飽和聚酯1. 311. 383. 13. 30. 00220. 030不飽和聚酯1. 101. 462. 84. 12. 780. 0060. 0260. 005對于無高溫要求的天線罩，選擇基體樹脂時(shí)，一般考慮環(huán)氧或者不

6、飽和樹脂。表3中列出常規(guī)天線罩基體材料電性能。高性能動(dòng)中通天線罩設(shè)計(jì)中，從工藝實(shí)現(xiàn)的難以程度、基體樹脂的介電常數(shù)等方面綜合考慮，選擇不飽和樹脂。表3 天線罩夾層材料基本性能聚氨酯泡沫不同密度下的介電常數(shù)和介電損耗密度（kg/m3）介電常數(shù)介質(zhì)損耗角正切tan(0.001)40.01.062.972.11.106.196.11.159.8芳綸紙蜂窩芯材性能孔格邊長（mm）密度（kg/m3）介電常數(shù)介質(zhì)損耗角正切tan(0.001)3481.071.74481.072.45481.072.0聚氨酯泡沫和芳綸紙蜂窩都是非常理想的電磁窗材料。在制作高性能動(dòng)中通天線罩時(shí)，考慮到形狀的復(fù)雜性，考慮采用密度

7、60 kg/m3的聚氨酯泡沫。實(shí)際使用中，密度公差要求在3以內(nèi)。 3、電性設(shè)計(jì)3.1 天線罩指標(biāo)通常情況下，動(dòng)中通天線系統(tǒng)使用Ku波段，電性能指標(biāo)如下：接收：12.00-12.50GHz 1.0dB發(fā)射：14.25-14.75GHz 1.5dB3.2 電性指標(biāo)計(jì)算在計(jì)算天線罩功率傳輸時(shí)，用的參數(shù)是材料的介電常數(shù)和介電損耗角正切。纖維增強(qiáng)塑料介電常數(shù)的簡化理論估算公式如下5,6:log= Vflogf + (1 - Vf - V0) logm + V0log0 式中,f ,m ,0 依次為纖維、基體、空隙中氣體的介電常數(shù);Vf 為纖維的體積含量; V0為空隙率。纖維增強(qiáng)塑料的介電損耗角正切的理論

8、估算公式為tan=（tan+ tan）/2 tan=tan=tan=tan=r=式中a、b為纖維排列參數(shù)，初步計(jì)算按a=b=16。A 型夾層是由高介電常數(shù)損耗較小的介質(zhì)做蒙皮，低介電常數(shù)損耗更小的介質(zhì)(蜂窩材料)做夾芯組成的三層結(jié)構(gòu)。如圖1：它的每一層介質(zhì)板可以等效為低阻抗傳輸線，三層相當(dāng)于三個(gè)低阻抗傳輸線的級聯(lián)。根據(jù)傳輸線理論，其傳輸矩陣可表示為7： 圖1：A型夾層結(jié)構(gòu)示意圖其中：水平極化時(shí)： 垂直極化時(shí)：式中： 由此可得傳輸系數(shù)：T=功率傳輸系數(shù)為：根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)Ku波段動(dòng)中通天線罩鋪層，材料參數(shù)見下表4：表4 Ku波段高性能動(dòng)中通天線罩材料參數(shù)材 料介電常數(shù)損耗角正切比重(g/cm3)

9、表層3.84.00.010.021.7芯 層1.061.100.0020.0030.06涂 層4.04.20.020.031.7其功率損耗見下圖2和表5： 圖2 等效試板傳輸損耗理論值表5 Ku波段高性能動(dòng)中通天線罩設(shè)計(jì)鋪層的透波情況頻率(GHz)12.2512.7514.014.519.620.421.229.430.231損耗(dB)0.110.090.120.180.450.270.150.290.210.423.4 結(jié)果根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果可以看到，Ka波段天線罩采用S玻纖、不飽和樹脂，芯材采用芳綸紙蜂窩，在厚度公差0.3mm；入射角在0 30的范圍內(nèi)滿足傳輸要求（35以上在局部頻點(diǎn)傳輸

10、存在超差）；天線罩蒙皮厚度為主要控制指標(biāo)，應(yīng)0.4mm。4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4、工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制天線罩通常采用單層、雙層與夾層等形式。由于重量要求等因素，多選用夾層。夾層又分為A 型夾層、C型夾層、及多層等形式。在Ka波段艦載天線罩的研制過程中，考慮到諸多要求，我們選取的是A 型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如下： 圖4 天線罩結(jié)構(gòu)示意圖4.2 工藝流程圖Ka波段天線罩產(chǎn)品研制步驟示意如下：研制過的高性能動(dòng)中通天線罩如下圖： 5、等效試板制作及測試結(jié)果根據(jù)選擇的材料以及電信設(shè)計(jì)的厚度制作等效試板。測試儀器為HP85301C天線測試系統(tǒng)，以及轉(zhuǎn)臺及其控制器、測試輔助天線、被測天線（與被測天線罩配套的實(shí)際工作天線）或其等效天線，為測試安裝架設(shè)方便，可采用等效天線替代實(shí)際天線。其測試結(jié)果如下：測試結(jié)果表明：按照設(shè)計(jì)鋪層制作的等效試板在Ka波段 (19.621.2GHz)，入射角30內(nèi)滿足技術(shù)要求。并且，在Ku波段 (14.0014.50GHz)使用時(shí)，透波率比原來的Ku波段天線罩有了顯著提高。6、 應(yīng)用前景按照設(shè)計(jì)方案制作的Ka波段艦載天線罩，其電性能不僅在Ka波段滿足技術(shù)要求，而且在Ku波段插入損耗也降低了。該天線罩結(jié)構(gòu)上安全可靠，現(xiàn)已成功裝配于某艦隊(duì)，為我國發(fā)展海洋力量保駕護(hù)