大型气肋式雷达天线罩研究

大型气肋式雷达天线罩研究

孙旭光 1，王环 1，张望松 2，侯进多 2

1.中国电子科技集团公司第三十九研究所，陕西西安 710065；

2. 91458部队，海南省三亚市 572000

摘要：针对常规天线罩在高功率、高频段、高精度雷达天线电气性能不足，气承式雷达天线罩充气量大、能耗高，内部压力高于环境压力易造成罩内人员气压伤害问题，提出气肋式雷达天线罩研究。气肋式雷达天线罩具有传输损耗低、能耗低、充气量小，副瓣抬高小、安全性高优点。文中阐述了气肋式雷达天线罩的设备组成、安装形式、工作原理，并对其电气性能进行仿真，与常规天线罩相比具有优良电气性能，尤其在高频段远优于常规天线罩，满足高功率、高频段、高精度雷达使用。

关键词:雷达天线罩；气肋式；能耗低；低插损；第一副瓣

1. 概述

天线罩的作用是在天线周围形成一个封闭的空间，以保护天线免受恶劣环境的直接作用，从而保证天线全天候工作的目的。

近年来，随着高功率、高频段、高精度、低副瓣天线的增多，传统天线罩已经不能满足其性能要求。传统玻璃钢天线罩适用于低频段天线，对于高频段、高精度、低副瓣天线其传输损耗及副瓣恶化较大，影响天线使用性能。金属桁架天线罩适用于高频段天线，但对于高功率天线的长期照射，在金属肋上会形成能量累积，温度升高，造成天线能量损耗的同时严重影响金属桁架天线罩使用寿命，而对于高精度天线由于时延存在造成精度降低。充气膜天线罩是使用超薄的膜材通过热熔焊接而成，没有金属肋或者玻璃钢泡沫夹层介质的遮挡和散射，雷达波束穿过后传输损耗小、副瓣抬高低、波束基本无偏，具有极高的电气性能。

目前国内外常说的充气天线罩为气承式充气天线罩，气承式天线罩是单层膜结构，通过对其膜内不断充气，使其内部压力不断增高，在其内部气压作用下向上托举支撑起整体膜结构，通过天线罩内外压差来保证充气天线罩的刚度。但是在整个使用过程需不断向天线罩内部充气，来保证天线罩内部压力，防止天线罩内部气压降低或漏气造成的天线罩坍塌，对于大型充气天线罩而言，由于内部空间较大，内部需充满空气才可以撑起天线罩，由此造成充气时间长、功耗较高。若充气设备发生故障，会使罩子倒塌而损坏天线。同时天线罩内部充的气体与雷达设备直接接触，若充入气体湿度或盐雾浓度较高，由于气膜结构密封性能好，内部气体与外界不流通，因此易造成内部雷达设备腐蚀损害。同时气承式雷达天线罩内部压力高于外部，易造成罩内人员气压伤害。为此提出气肋式充气天线罩研制。

2. 气肋式雷达天线罩结构

气肋式天线罩系统主要由气肋骨架、外部张拉膜形成天线罩罩壁、安装基座、智能充气系统组成。系统总体组成如图1所示。

图1 气肋式天线罩组成

2.1气肋式雷达天线罩体

气肋式雷达天线罩是由气肋作为骨架，在气肋外部焊接张拉膜材作为天线罩罩壁，使气肋骨架内部形成一个封闭空间。布设安装时仅向气肋骨架充气，充起来的气肋将压力传递到气肋外部膜材上，从而在外部膜材上产生一定得张力，膜材张力可以保证气肋形状和静态平衡，形成稳固的系统，这个系统具有超稳定的结构应力。

气肋式雷达天线罩较气承式天线罩充气量小，能耗低；使用过程不需不断向天线罩内部充气；气肋式天线罩充入气体不与内部设备直接接触，其内部环境湿度相对较稳定。

2.2基础连接设计

充气天线罩安装于基础之上，通过U型连接件与基础连接。充气天线罩底圈设计有一圈充气肋，充气肋外部上下两侧各设计有膜材加强筋，膜材加强筋终端设计有止动高强绳，安装时将下膜材加强筋压在U型连接件下侧，上膜材加强筋用压板压在U型连接件上侧。止动高强绳可防止膜材加强筋在外力作用下抽出或撕裂，见图2。

2.3智能充气系统

智能充气系统主要包括环境检测单元、数据处理中心和智能执行单元。环境监测单元主要完成天线罩外部风速，内部环境温度、湿度的监测，气肋骨架压力等数据监测，并将数据传输给数据处理中心；通过数据处理中心分析计算将执行命令传达给智能执行单元，智能执行单元完成气肋骨架的补气、放气、天线罩内部环境温湿度控制调节。

图2 气肋式雷达天线罩与基础链接图

智能充气系统可根据外部风速自动调节气肋骨架压力，保证充气天线罩有具备抗外部风力充气的稳定性。根据天线罩内部环境温湿度控制环控设备调节天线罩内温度达到天线罩内部温湿度要求。

图3 智能充气系统原理图

3. 气肋式雷达天线罩性能分析

3.1电气性能分析

气肋式雷达天线罩主透波区域为单层膜结构，膜材基布为芳纶纤维，涂层为聚四氟乙烯，膜材介电常数为2.8，损耗角正切0.001。以典型7.3米S、X、Ka天线配套12米天线罩为例，仿真0~30GHz各类型天线罩传输损耗、同时仿真10GHz下各类型天线罩方向图，对比各类天线罩电气性能。

表1 不同类型天线罩传输损耗对比表

仿真结果显示，玻璃钢天线罩适用于低频段天线，金属桁架天线罩适用于高频段天线，而在0~30GHz充气天线罩传输损耗均小于0.5dB。

仿真结果显示10GHz 频段玻璃钢天线罩第一副瓣抬高1.2dB，金属桁架天线罩第一副瓣抬高1.4dB，且两者对原天线方向图影响较大；充气天线罩第一副瓣抬高0.4dB，与原天线方向图吻合度高，对原天线性能影响较小。

图4 不同类型天线罩传输损耗对比

图5 10GHz下不同类型天线罩方向图对比

4. 结束语

气肋式雷达天线罩具有良好电气性能，可满足高功率、高频段、高精度雷达天线使用。解决常规气承式雷达天线罩功耗大，使用过程需持续充气问题。气肋式雷达天线罩骨架自成完整压力系统，不受开门开窗导致气体外泄或整罩供气不足导致天线罩坍塌危险。气肋式雷达天线罩内外压差一致，避免气承式天线罩内部压力高于外部压力，从而导致内部人员的气压伤害。

参考文献

1. 袁军行，成琴，李琦.气承式雷达天线罩结构与仿真[J].西安航空学院学报，2015，33（1）：21-23.

2. 王立超，唐宝富.大型充气天线罩的研制[J].现代雷达，2018，40（6）：62-66.

3. 赵大鹏，陈务军，张丽梅．大型充气膜结构及膜材的发展概述［J］．建筑施工，2008,30(2):135-137.

4. 李庆松.气肋式膜结构充气展开及泄露倒塌分析[D].上海,上海交通大学，2016.