美国国家航空航天实验室使用CST Studio Suite仿真设计先进的天线罩

您如何设计一个坚固、轻便并让信号以最小损耗通过的天线罩？美国国家航空航天实验室 （NAL） 转向 SIMULIA CST Studio Suite 以虚拟方式优化蜂窝天线罩结构。通过仿真，NAL在33-36 GHz频段实现了超过90%的信号传输，无需昂贵的原型设计即可提供高性能。

挑战： 设计轻质天线罩，在不影响性能的情况下保护天线。他们开发了一种坚固而轻便的蜂窝结构，但需要一种解决方案来优化这种结构以获得最佳性能。

简介：国家航空航天实验室使用CST Studio Suite优化天线罩的电磁性能。使用 CST Studio Suite，他们可以在晶胞级别或整个天线罩结构上模拟蜂窝结构，甚至模拟平台上的安装性能。

好处：NAL 开发了一种在 33-36 GHz 频段内传输率为 >90% 的天线罩。

谁是国家航空航天实验室？

国家航空航天实验室 （NAL） 是印度科学与工业研究委员会 （CSIR） 的组成部分。成立于 1959 年，其使命是专注于先进航空航天技术的研发。它开发新的航空航天技术，制造中小型飞机，并支持印度的国家航空航天计划和工业。

航空航天技术的一个重要领域是天线系统。安装在飞机和地面站上的天线用于发送和接收用于通信的无线电和数据信号，以及用于导航和测距的雷达信号。任何航空航天天线系统的关键部分是天线罩。

什么是天线罩？

天线罩（雷达穹顶的缩写）是保护天线免受损坏、天气和污染的盖子，并改善天线安装平台的空气动力学性能。它们广泛用于雷达地面站、通信塔和飞机天线等应用。天线罩需要对感兴趣频段内的无线电波透明——无论入射角和极化如何——而且还要坚固、轻便和防风雨。

天线罩设计的主要电磁挑战是确保信号在结构中的最佳传输。每当电磁波到达材料之间的界面时，一部分能量就会被反射或吸收，而不是传输。两种材料之间的电磁阻抗失配越大，反射就越大。理想情况下，天线罩在相关频率下应与周围空气具有相同的电磁特性，以确保完美的传输。材料中的能量也可以通过介电损耗（电磁波能量在材料中转化为热量）而损失。

使用蜂窝夹层改善传输

为了设计高性能天线罩，美国国家航空航天实验室 （NAL） 转向蜂窝夹层结构。这种听起来很甜的材料是一种分层结构，外层很薄，它们之间有一个填充层，形成一个空隙的蜂窝结构。蜂窝坚固、重量轻，由于外皮层较薄，因此介电损耗小。

从电磁的角度来看，优化性能主要意味着优化中心蜂窝层的厚度和几何形状。仅使用物理原型和测试来做到这一点非常耗时，而且由于可用材料的限制以及结果并不总是可以在不同材料厚度之间转移的事实，并不总是可行的。

通过仿真优化天线罩性能

为了优化其天线罩蜂窝结构以获得最佳性能，NAL 转向模拟CST Studio Suite。这是一款行业领先的电磁仿真软件，具有广泛的求解器技术，适用于不同频率和尺度的电磁问题。在 CST Studio Suite 中，可以在晶胞级别或整个天线罩结构上模拟蜂窝结构，甚至可以模拟平台上的安装性能。

图 1：蜂窝夹层图，显示了可以优化的参数。

NAL 使用参数优化来快速研究厚度和几何形状的变化如何影响电磁性能。在下面显示的示例中，NAL 希望开发一种用于 33-36 GHz 雷达频段的天线罩材料。这是一个毫米波频率，这意味着材料中的介电损耗预计会相对较高;需要仔细优化以将它们保持在可接受的水平。

仿真能够对整个频段以及任何极化和角度的性能进行建模。研究人员不受可用于测试的材料的限制，而是可以探索整个设计空间以发展理论并找到最佳设计。仿真结果与测量数据非常接近，使 NAL 对他们的理论充满信心。

通过将所有 CST Studio Suite 求解器技术集中在一个界面中，NAL 还能够执行混合仿真，使用多个求解器来模拟安装在平台上的复杂天线天线罩系统，并使用热求解器来计算天线罩如何因吸收的能量而升温。

最终结果如下所示。CST Studio Suite 中优化的天线罩设计在感兴趣的频段内实现了低于 -10 dB 的反射系数 （S11） 和接近 0 dB 的传输系数 （S12）。通过仿真，NAL 确保超过 90% 的能量在所有极化下以所有频率通过天线罩传输。