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1、1 引言 随着现代高科技的发展，雷达大量应用于陆、海、空三军及民航、气象等领域，相应的，雷达天线罩的运用也日益广泛。天线罩是雷达系统的重要组成部分，被称为雷达系统的“电磁窗口”。它的作用是在雷达天线的周围形成一个封闭的空间，将转动工作的雷达天线罩于其中，以保护雷达天线系统免受大气环境的直接作用。由于天线罩的遮挡，天线系统可不受风、沙、雨、雪、冰雹的侵袭，这将降低天线驱动装置的设计功率和减少天线转动实际消耗的能源，并且避免了因气候与环境原因造成的雷达关机。同时天线罩还可以缓解因气温骤变、太阳辐射、潮湿、盐雾等对天线系统的影响，因此也大大简化和减轻了天线系统的日常维护修理工作，延长路雷达的使用寿命
2、。世界上第一个玻璃钢雷达罩出现于20世纪40年代的美国，至今有60多年的历史。我国是从上世纪60年代开始研制玻璃钢雷达罩，最大的为直径44米的地面雷达天线罩，至今仍在使用，已有近40多年的历史，在雷达罩设计、生产、检测方面有了较丰富的经验，但与国外相比，还有一定距离。随着雷达电性能要求的不断提高，雷达罩向大型化发展，对雷达罩的结构设计提出更加苛刻的要求。现有地面雷达罩的结构形式有3种类型：构架悬吊柔性膜鼓风式、构架壳体式和刚性壳体式，而刚性壳体式较为普遍。 构架悬吊柔性膜鼓风式构架悬吊柔性膜鼓风式地面雷达天线罩是用金属型材组成空间构架，在构架内悬吊涂覆尼龙的有机纤维布，有机纤维布黏合拼成中空的
3、柔性罩，将雷达天线罩于其中。由于柔性膜很薄，因此这类天线罩对电磁波能量的吸收损耗很小，并对各种雷达工作频段具有较好的适应性，尤其适于宽频和变频雷达采用。这类天线罩的特点是：造价低，搬迁方便；但耐久性差，有噪音。 构架壳体式构架壳体式地面雷达天线罩与构架悬吊柔性膜鼓风式地面雷达天线罩的相同之处在于它们都是通过金属构架来承受载荷。不同之处是，构架壳体式天线罩用硬质材料（层和或夹芯玻璃钢）壳体代替柔性膜。构架壳体式又称半硬壳式，天线罩的总体强度和刚度仍靠构架来保证。这种型式的天线罩适用于大直径天线的地面雷达。 硬壳式硬壳式地面雷达天线罩没有专门的承力构架。这种天线罩用硬质材料组成的刚硬壳体来承受载荷
4、。它的结构设计按薄壁壳模型来计算器强度、刚度和变形。硬壳式地面雷达天线罩壳块的横剖面结构类型可分为单层（实心壁）、A型夹芯、B型夹芯、C型夹芯、多重夹芯和具有金属含物的介质层等，横剖面结构如图1.1所示。图1.1 天线罩罩壁的剖面结构2 造型设计天线罩外形结构的没计要考虑到雷达类型和微波频段、雷达设备结构形状、电磁波入射角、空气动力学、结构力学等诸多四素。经过长久的实践操作和分析总结，逐步形成和验证了较为成熟的天线罩设计方程，为天线罩的设计提供了强有力的理论依据。以下对地面雷达天线罩的设计方程进行分析，规定用直角坐标系描述天线罩的曲面形状（内表面和外表面），并且Z轴为天线不扫描时的边射方向。地
5、面雷达天线罩的形状主要有圆筒形加球面顶盖和截球形两种，通常采用截球形天线罩，其方程为： (2.1) 鉴于此次设计的地面雷达天线罩的尺寸要求为直径900mm，选择的形状为不用分块的3/4截球形（即截球高度），用翻遍法兰与基座连接。如图2.1所示，球的半径为R，直径D=900mm，球心O（0，0，0），h=3/4D。 图2.1 截球形雷达天线罩 3 性能设计3.1 原材料的选择为了得到良好的电性能，天线罩所用原材料要具备良好的透波性，其“介电常数”和“介电损耗角正切”这两个参数值要小。玻璃纤维增强塑料，简称FRP，是制作天线罩的理想材料，也是长期实践证明可取的透波材料。FRP又被称为玻璃钢，是树脂
6、基复合材料，所用基体材料为聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂等高分子材料，所用增强材料为玻璃纤维。目前，雷达罩材料较多采用的是环氧树脂和E玻璃纤维，随着对雷达天线罩性能要求的不断提高，D玻璃纤维、石英玻璃纤维等增强材料及改性双马来酰氩氨树脂、DAIP树脂、氰酸酯树脂等具有更好介质性能的材料也投入了使用。FRP所用增强材料和树脂的性能参数见下列表格。表3.1 增强材料的性能参数表材 料相对密度拉伸强度/GPa弹性模量/GPa介电常数/10GHz损耗角正切/10GHzD玻纤2.102.0048.04.000.0023E玻纤2.523.16716.150.0054M玻纤2.773.7091.67.000.
7、0039S玻纤2.513.95855.200.0068石英玻纤2.201.7072.03.780.0002KV-491.483.461383.590.0014表3.2 树脂基体材料的性能参数表材 料介电常数/10GHz正切损耗/10GHz比 重环氧树脂3.15.00.0150.0211.101.35不饱和聚酯2.84.20.0100.0251.121.30乙烯基树脂2.53.50.0120.0261.151.31酚醛树脂4.24.80.0140.0311.111.30表3.3 几种材料的高频介电性能材 料测试条件介电常数/10GHz正切损耗/10GHzDAP玻璃钢1MHz4.10.01310G
8、Hz3.854.00.017酚醛-缩醛玻璃钢10GHz3.25.00.02抗雨蚀涂层10GHz3.10.031抗静电涂层10GHz7.20.27耐热酚醛蜂窝芯层10GHz1.140.004尼龙酚醛蜂窝芯层10GHz1.200.002雪10GHz1.30.0005 根据使用条件，以及经济效益综合考虑，本次设计雷达天线罩所用的原材料为DAP玻璃钢，取=4.0，。3.2 单层雷达天线罩的电性能设计地面雷达天线罩的电性能主要指功率传输系数（等于加天线罩时天线辐射的功率与不加天线罩时天线辐射功率的比值，用以度量经过天线罩的衰减和反射损失后所辐射功率的保留率）、反射功率、波束偏移、波瓣畸变等。对地面雷达天
9、线罩电性能和机械性能指标分别见表3.4和表3.5。表3.4 地面雷达天线罩的电性能指标项目典型数值电性能传输功率系数/%8596反射功率系数/%0.5波束偏转/mrad0.050.3波束偏转误差率/mrad/mrad0.0050.010波束宽度在3db处的变化/%5旁瓣增加/db20db电平125db电平230db电平4表3.5 地面雷达天线罩的机械性能指标项目典型数值机械性能耐风速/（m/s)60100温度/-50+50使用年数/年10153.2.1 厚度设计在电性能的初步设计中，常将天线罩中的壳块视为平板，计算平面电磁波经过此平板时的透波特性。此时不计平板边缘的影响，即视为无限大平板，用此
10、种计算结果来决定天线罩横剖面的结构和尺寸。当电磁波射入平板和从平板透出时，均会在界面处发生反射。平板厚度按下式计算： （3.1）式中 整数，=0,1,2，； 平板介质的相对介电常数； 电磁波在自由空间的波长； 入射角，当电磁波垂直于平板时，=0，此时 （3.2）按式（3.2）计算值作为罩壁厚度的雷达罩称为介质半波长雷达罩。国际电信联盟分配的雷达可工作的波段、频率和波长的数值范围见表3.6。表3.6 雷达波波段、频率和波长频段名称分配频率/GHz分配波长/cm频段名称分配频率/GHz分配波长/cmUHF0420457166.7X8.510.683.532.810.890.9433.731.9Ku
11、13.4142.2392.143L1.2151.424.6921.415.717.71.9111.69S2.32.513.0412K24.0524.251.2471.2372.73.711.18.11Ka33.4360.8980.833C5.255.9255.715.06mm403000.750.1对于K波段，选中间值=1.242cm。取=1，将n，代入式（3.2）计算得=0.3105cm=3.105mm。由于工艺误差，罩壁的壁厚实际值取=0.300cm=3.00mm，则偏离值=0.3105-0.3000=0.0105cm=0.105mm。3.2.2 雷达天线罩的反射率雷达天线罩的反射率可用下
12、式估算： （3.3）式中 雷达天线罩的反射率。经式（3.3）计算得=0.64%3.2.3 热损耗电磁波穿过罩体因介质吸收所引起的热损耗可用下式估算： （3.4）式中 罩壁材料的介电损耗角正切。经式（3.4）计算得=0.05163.2.4 电磁波功率传输系数单层玻璃钢雷达天线罩的电磁波功率传输系数可用下式估算： （3.5）经式（3.5）计算得=94.24%综上所述，=4.0，=0.300cm=3.00mm，=0.105mm，=0.64%，=0.0516，=94.2% 。 4 结构设计对地面雷达天线罩的结构设计要求，视雷达的预计安装地点而有所不同。这主要与当地的最大风速及气温变化范围有关，同时还应
13、考虑所处地域的地震及冰雪负荷、盐雾、沙尘等条件。如果是硬壳式天线罩，无论是单层或夹芯结构，均简化为各向同性材料构成的薄壁球壳，按照无矩理论来计算罩体各处的应力，并考虑天线罩与基础安装处附近的边缘效应。4.1 罩体所承受的荷载4.1.1 罩体自重在设计中，通常需要知道单位面积的罩体质量（罩体自重集度） （4.1）式中 罩体的总重； 罩体的表面面积。对于截球形罩体 （4.2）式中 罩体的半径； 截球的高度。将=450mm=0.45m，=675mm=0.675m带入式（4.2）计算求得=1.909m2在实际计算中，如果仅由壳块的剖面参数来计算，得到壳块剖面的自重集度，再引进一些考虑实际结构因素的影响系数，则罩体
