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天线罩结构的基础知识

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本文来源 | Digi-Key、5G通信

 

重要注意事项:天线罩的开发和构建都很复杂。文中提及的数据仅是近似值。这些信息只能作为对该主题的初步了解,并不能替代必要的评估和测试。

 

雷达传感器由前端 (RFE)(具有天线结构的微波部件)和用于信号处理的元器件组成。前端是雷达的实际核心,因为它是天线发射和接收电磁信号的部位。为了解读收集到的信息,前端会将其转发给信号处理单元(图 1)。

 

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为了保护雷达天线和电子元器件,传感器通常封闭在外壳中。这样可以保护 RFE,避免外部影响造成损坏或降低性能。由于具有穿透材料的能力,雷达往往还因为外形美观而受到青睐。这一方面尤其令产品设计师欣赏。

 

当谈到天线结构的这种保护壳时,雷达技术人员指的就是“天线罩”(radome)。这个词是 'radar'(雷达)和 'dome'(圆顶)两个词的组合。与 iSYS-6003 上的一样,圆顶形罩主要用于固定安装的大型雷达系统,例如飞机或船舶的雷达。

 

然而,工业或商业应用中采用的传感器和系统还需要防止机械或化学影响,以免损害天线功能。这些都是为了适用于天线,符合雷达波的特性。

 

此外,在设计天线罩时,使用正确的材料也至关重要。如果电磁波传播过程中遇到物体或人体,那么该物质的特性会影响传播。为了找到适用于天线罩的材料,务必要考虑它们遇到雷达波后的影响。

 

表 1 概述了各种材料对微波的吸收和反射特性,以及微波对这些材料的穿透力。

 

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雷达波必须能够穿透天线罩。金属会对雷达传感器造成屏蔽。由于具有高反射特性,因此金属不适合放在天线前方。木镶板(通常有一定的残留湿度)也不适合,因为电磁波对它的穿透力有限。

 

聚苯乙烯等泡沫非常适合用作覆盖材料,甚至可以不经加工就直接包裹在天线上。但是,由于较低的稳定性和对化学物质的敏感性,在选择材料时,泡沫往往会落选。

 

因此,塑料是生产防护罩或外壳最常见的替代材料。但是,在设计天线罩时,设计人员必须考虑塑料的特性。这种材料越厚、越靠近天线,电磁波穿透得越少。

 

在使用黑色塑料的情况下,测量时可能会出现损耗,因为这种塑料通常含有碳。此外,无法排走的积水也会对前端的信息采集造成不利影响。塑料天线罩的后续处理,例如涂漆,也会对雷达天线的数据采集产生负面影响。

 

天线罩的尺寸和位置

 

在构建天线罩时,不仅是天线罩的材料选择,精准固定及其形状也非常重要。为了不限制其功能,必须考虑以下方面:

 

·       天线罩底面与天线之间的距离

·       天线罩材料的厚度

·       天线罩的形状(尽可能均匀)

 

这些因素决定了大部分的雷达波会被所构建的天线罩反射还是吸收。

 

适当的距离

 

天线罩各处到天线的距离均匀性极为重要。即使是细微的偏差,例如保护罩底部有一个小缺口,也会改变电磁波的传播。出于这个原因,倾斜的天线罩也会产生不利影响,因为它们可能会影响正常反射。圆端、耳、加强件或材料中的凹槽同样如此(图 2)。
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为了确定正确、均匀的距离,以下条件适用:

 

·       如果到天线罩的距离恰好是波长的一半(或其倍数),则波的传播只会受到轻微干扰。

·       这意味着天线表面(波中心)必须平行于天线罩放置,且距离为 λ/2(或其倍数)。

·       在中心频率为 24.125 GHz(波长的一半约为 6.2 mm)时,最佳距离约为 6.2 mm。

 

适当的材料厚度

 

在这方面,可采用确定适当距离的相同原则:为使波的传播干扰最小化,天线罩应置于波长的一半处。同样,也必须根据波长的一半选择适当的天线罩材料厚度。


不过,还必须考虑天线罩材质改变波的方式(通过穿透材料)。这种改变对应于所用材料的电导率(电函数 ε),会使波长缩短 √(εr)


例如,对于塑料,该介电常数介于 3 到 4 之间,但是实际上它变化很大。为了取得近似值,可以使用平均值 1.5 进行计算。然后,可以使用公式 λ/2√(εr) 计算材料的厚度。使用这些初始值得出的厚度为 4 mm。
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要构建天线罩,必须对所用材料的成分和电磁波的传播有深入的了解。本文所提供的信息仅作为指导,旨在强调构建天线罩时绝对有必要考虑的事项。

 

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