CN108808239A - 一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，该天线罩是高度与前后长度之比为1：100～1：5且前后左右对称的类椭圆低剖面结构，包括可拆卸连接的罩体和安装底板，罩体具有平整顶面、前圆滑弧面、后圆滑弧面、左侧立面和右侧立面，平整顶面是天线罩的透波区域，该平整顶面与左侧立面和右侧立面的连接处采用平滑曲面过渡。罩体的透波区域采用厚度渐变的夹层结构。本发明的天线罩具有优秀的气动外形，能显著缩小受力面积，降低风阻，有效提升天线系统整体的气动性，并且其透波区域采用变厚度设计，大大提升了天线扫描角范围内的透波率，适于动车等高速运行载体的工作环境，满足卫星通信大扫描角、高透波的工作特点。

Description

一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能 天线罩。

背景技术

传统天线罩的主要功能是保护天线及内部结构免受风尘、雨雪、盐雾等环境因素侵扰。 同时天线罩还必须具有高透波率的传输功能以满足天线单元的辐射要求。在低频段卫星通信 频段如L、S、C频段等，天线罩的透波和损耗特性受材料影响小，设计方法简单，不需要 特殊设计即可满足要求。在高频卫星通信频段，如K、Ku、Ka频段等，天线罩的强度、电性能受结构材料的影响大，需要进行特殊设计以满足卫星通信的要求。

卫星通讯具有通信距离远，覆盖范围广等特点。地面卫星通信终端在不同区域进行卫星 通信时，其入射角变化范围可达70°。因而卫星通信天线罩需要具有大角度入射高透波的 特性。

针对高速运行载体，天线罩的结构需要具有低剖面和流线型的特性，以减小风阻。同时 兼顾卫星通信天线大角度入射时高透波率的电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩。该天线罩 为卫星通信提供保障，具有结构简单、加工方便、成本低、设计灵活的特点，并且剖面低、 气动性好、风阻低，具有大扫描角范围内高透波的电磁特性，适应高铁、动车等高速运行载 体的工作环境，满足卫星通信大扫描角、高透波的工作特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，所述天线罩是高度与前后长度之 比为(1:100)～(1:5)且前后对称、左右对称的低剖面结构，包括平整顶面1、前圆滑弧面 2、后圆滑弧面3、左侧立面4和右侧立面5，所述平整顶面1是天线罩的透波区域，该平整 顶面1与左侧立面4和右侧立面5的连接处采用平滑曲面过渡。

左侧立面4和右侧立面5可以是垂直于安装底板7的垂直面，也可以是与安装底板7具 有一定夹角的斜面。为了美观，还可以在该两个立面上布置弧线等装饰结构。

与现有天线罩相比，本发明在提升天线罩的气动特性方面做了如下改进：采用前后对称 的罩体结构，满足高速运行载体，例如高铁动车双向对开的工作要求；将天线罩整体设计为 超低剖面结构，顶部上表面设计为平整外形轮廓，左右两侧对称并由曲面过渡到立面，前后 面采用圆滑弧面的渐变结构，流线型好，全方位地降低天线罩在水平方向上的受力面积，减 小风阻，气动特性优异。

进一步地，上述面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，所述平整顶面1、前 圆滑弧面2、后圆滑弧面3、左侧立面4和右侧立面5构成天线罩的罩体6，罩体6的底面和安装底板7可拆卸连接。

进一步地，上述面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，所述罩体6具有夹层 结构。

优选所述罩体6为蒙皮-芯层-蒙皮或蒙皮-芯层-蒙皮-芯层-蒙皮的夹层结构。

优选所述蒙皮为高透波复合材料，所述芯层为低损耗材料。

本发明所述高透波复合材料是指透波率大于80％的高透波材料，包括但不限于玻璃纤 维、芳纶纤维等，所述低损耗材料是损耗正切小于0.1的低损耗材料，包括但不限于蜂窝材 料、泡沫材料等。

进一步地，罩体6的平整顶面1具有厚度渐变区域，以天线阵列中心点在平整顶面1所 对应的点为圆心，平整顶面1的夹层结构自该圆心向外厚度渐变。

优选罩体6除厚度渐变区域外的其余区域，其夹层结构厚度与厚度渐变区域最厚处相 同。

优选所述平整顶面1的夹层结构自该圆心向外厚度渐变是在径向剖面上呈折线型变厚 度，或者阶梯型变厚度，或者圆弧型变厚度。

本发明的天线罩罩体采用厚度渐变夹层结构，一方面是因为天线设备上表面的前端和后 端存在两个应力集中点，夹层结构满足了应力区的强度要求，另一方面渐变厚度结构与均厚 结构相比，具有更好的透波特性。根据本发明的一个实施例，该渐变厚度设计的天线罩能在 0～70°的范围内保证85％以上的透波率。

优选罩体6的底面和安装底板7可拆卸连接的方式为，罩体6边缘底部设有螺纹孔盲孔 11，采用螺接方式自底向上紧固天线罩与安装底板。

进一步地，本发明的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩可以是单天线系统 天线罩或者双天线系统天线罩。在双天线系统中，不同天线各自具有不同的厚度渐变区域和 透波区域。

本发明的有益效果在于：所述面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩具有优秀 的气动外形，能显著缩小受力面积，降低风阻，能有效提升天线系统整体的气动性；天线罩 材料选择夹层结构，保证机械特性的同时降低重量；天线罩的安装孔位预留在机加工成型的 罩体边缘底部，尺寸易保证，可有效避免雨水浸入天线罩与下罩结合面；天线罩的透波区域 根据入射角度的不同进行变厚度设计，大大提升了天线扫描角范围内的透波率。该天线罩适 应动车等高速运行载体的工作环境，满足卫星通信大扫描角、高透波的工作特点。

附图说明

图1是本发明的一种单天线系统天线罩结构主视图；

图2是图1天线罩的罩体厚度渐变结构的剖面示意图；

图3是本发明天线罩罩体的两种夹层结构示意图，A是蒙皮-芯层-蒙皮夹层，B是蒙皮- 芯层-蒙皮-芯层-蒙皮夹层；

图4是本发明天线罩罩体折线型变厚度的夹层结构示意图；

图5是本发明天线罩罩体阶梯型变厚度的夹层结构示意图；

图6是本发明天线罩罩体圆弧型变厚度的夹层结构示意图；

图7是本发明的一种单天线系统天线罩使用状态下剖面示意图；

图8是本发明天线罩的罩体和安装底板连接处结构示意图；

图9是本发明的一种双天线系统天线罩结构主视图；

图10是本发明的一种双天线系统天线罩使用状态下剖面示意图；

图11是本发明实施例1单天线系统天线罩透波区域厚度变化曲线图；

图12是本发明实施例1单天线系统天线罩厚度渐变设计与常规均匀厚度设计透波率随 入射角的仿真变化曲线图；

图13是本发明本发明实施例1单天线系统天线罩厚度渐变设计实物透波率随入射角变 化曲线测试结果图。

其中，1-平整顶面，2-前圆滑弧面，3-后圆滑弧面，4-左侧立面，5-右侧立面，6-罩体， 7-安装底板，8-蒙皮，9-芯层，10-天线，11-螺纹孔盲孔，12-螺纹钉。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的发明内容做进一步的阐释。

实施例1

参考图1～8、11～13，一种面向高速运行载体卫星通信单天线系统的天线罩，包括可拆 卸连接的罩体6和安装底板7，该天线罩是高度与前后长度之比为1：100～1:5且前后对称、 左右对称的低剖面结构，罩体6具有平整顶面1、前圆滑弧面2、后圆滑弧面3、左侧立面4 和右侧立面5，所述平整顶面1是天线罩的透波区域，该平整顶面1与左侧立面4和右侧立 面5的连接处采用平滑曲面过渡，罩体6边缘底部设有螺纹孔盲孔，采用螺接方式自底向上 紧固天线罩与安装底板。

高速运行载体的天线设备上表面的前端和后端存在两个应力集中点，此处应力较大；天 线罩上表面四周边缘处，存在应力较大的一个环状区域。本发明根据该受力情况，选择近似 椭圆的罩体外形，前后端2、3为圆滑弧面结构，两侧面4、5为立面，且立面与平整顶面1 和前、后圆滑弧面通过平滑曲面过渡；天线罩前后对称，左右对称，整体为低剖面结构，从 而缩小受力面积，减小空气阻力，提升气动性。

为了满足高速运行环境中承载较大应力的要求，将罩体6设计为夹层结构，夹层结构可 以是图3中A夹层(蒙皮-芯层-蒙皮)，也可以是B夹层(蒙皮-芯层-蒙皮-芯层-蒙皮)。出 于减小带罩天线的整体厚度以及降低加工难度的考虑，优选采用图3所示的A夹层蒙皮-芯 层-蒙皮的结构设计天线罩。其中蒙皮8采用环氧树脂玻璃纤维材料，芯层9采用蜂窝材料。

罩体6的平整顶面1具有厚度渐变区域，以天线阵列中心点在平整顶面1所对应的点为 圆心，平整顶面1的夹层结构自该圆心向外厚度渐变。所述厚度渐变可以是在径向剖面上呈 折线型变厚度，如图4；也可以是阶梯型变厚度，如图5；或者是圆弧型变厚度，如图6。

天线罩可以看做多层介质级联结构，根据每层介质材料的厚度、材料参数和入射角度， 计算出电磁波入射该层介质的传输矩阵，然后级联计算整个天线罩的传输矩阵。从而得到天 线罩透波率。

本实施例以图7中天线阵列中心为原点，中心原点处法线为轴，天线罩内表面某一点与 原点的连线和轴线的夹角α为天线到天线罩该点的入射角度。计算出天线罩上不同位置的入 射角，并根据天线的波束宽度计算出天线罩的透波区域，得到天线罩上最大入射角度70 °

本实例查得选定的芯层材料和蒙皮材料的电性能参数，根据天线罩上不同位置电磁的入 射角度设计天线罩的厚度，使得在天线罩0°～70°的透波区域内，天线罩在工作频段保持 80％以上的透波率。由于不同入射角度下，同等厚度的天线罩透波率差别大，天线罩采用图 4所示的折线型变厚度设计，设计结果如图11所示。图11中给出了天线罩芯层厚度随距原 点轴线距离的变化趋势，该渐变厚度区域共有四个不同的厚度变化区间。罩体6除厚度渐变 区域外的其余区域的夹层结构厚度与厚度渐变区域最厚处相同。

将变厚度设计的天线罩与厚度为T1的均匀厚度天线罩进仿真对比，如图12所示。均匀 厚度天线罩在大角度入射时透波率恶化严重，当入射角度大于50°时已无法保证80％的透 波率。而渐变厚度设计的天线罩能在0～70°的范围内保证85％以上的透波率。按照设计参 数制作变厚度天线罩实物，天线罩的测试结果如图13所示。

实施例2

参考图9～10，一种面向高速运行载体卫星通信双天线系统的天线罩，该天线罩的结构 特点、设计方法与实施例1的单天线罩基本相同。即两个天线系统分别以各自的天线阵列中 心为原点，原点处法线为轴，计算天线罩不同位置的入射角度，再根据选择的芯层和内外蒙 皮的材料参数计算各自的传输矩阵，设计符合要求的变厚度芯层结构。不同之处在于，双天 线系统中两个天线系统可能有不同的变厚度结构和透波区域。双天线系统天线罩的透波区域 通常由两个天线系统的照射区域组合而成。

本发明的天线罩具有宽角度高透波、剖面低气动性能好等优势。可以适用于不同速度的 载体平台，并满足大部分天线的使用要求。

Claims (10)

1.一种面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述天线罩是高度与前后长度之比为(1：100)～(1：5)的且前后对称、左右对称的低剖面结构，包括平整顶面(1)、前圆滑弧面(2)、后圆滑弧面(3)、左侧立面(4)和右侧立面(5)，所述平整顶面(1)是天线罩的透波区域，该平整顶面(1)与左侧立面(4)和右侧立面(5)的连接处采用平滑曲面过渡。

2.根据权利要求1所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述平整顶面(1)、前圆滑弧面(2)、后圆滑弧面(3)、左侧立面(4)和右侧立面(5)构成天线罩的罩体(6)，罩体(6)的底面和安装底板(7)可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述罩体(6)具有夹层结构。

4.根据权利要求3所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述夹层结构为蒙皮-芯层-蒙皮，或者蒙皮-芯层-蒙皮-芯层-蒙皮。

5.根据权利要求4所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述蒙皮为高透波复合材料，所述芯层为低损耗材料。

6.根据权利要求2～5任意一项所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，以天线阵列中心点在罩体(6)的平整顶面(1)所对应的点为圆心，平整顶面(1)的夹层结构自该圆心向外厚度渐变形成厚度渐变区域。

7.根据权利要求6所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，罩体(6)除所述厚度渐变区域外的其余区域，其夹层结构的厚度与厚度渐变区域最厚处相同。

8.根据权利要求6所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述平整顶面(1)的夹层结构自该圆心向外厚度渐变是指在径向剖面上呈折线型变厚度，或者阶梯型变厚度，或者圆弧型变厚度。

9.根据权利要求2～4和7～8任意一项所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，罩体(6)的底面和安装底板(7)可拆卸连接的方式为：罩体(6)边缘底部设有螺纹孔盲孔(11)，采用螺接方式自底向上紧固罩体(6)与安装底板(7)。

10.根据权利要求2～4和7～8任意一项所述的面向高速运行载体卫星通信系统的高性能天线罩，其特征在于，所述天线罩是单天线系统天线罩或者双天线系统天线罩。