如何设计一个坚固、轻便且能让信号以最小损失通过的天线罩？美国国家航空航天实验室(NAL) 采用 SIMULIA CST Studio Suite来虚拟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：设计轻型天线罩，在不影响性能的情况下保护天线。他们开发了一种坚固且轻便的蜂窝结构，但需要一种解决方案来优化该结构以获得最佳性能。
解决方案：国家航空航天实验室使用CST Studio Suite来优化天线罩的电磁特性。使用 CST Studio Suite，他们可以模拟单元单元级别的蜂窝结构或整个天线罩结构，甚至平台上的安装性能。
优点： NAL 开发了一种在 33-36 GHz 频段传输率 >90% 的天线罩。
国家航空航天实验室是谁？
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究和开发。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。
什么是雷达罩？
天线罩（雷达罩的缩写）是一种覆盖物，可保护天线免受损坏、天气和污垢的影响，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的无线电波透明（无论入射角度和偏振如何），而且坚固、轻便且防风雨。
天线罩设计的主要电磁挑战是确保通过该结构实现最佳的信号传输。每当电磁波到达材料之间的界面时，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具有与周围空气相同的电磁特性，以确保完美的传输。材料中的能量也会因介电损耗而损失——电磁波能量在材料中转化为热量。
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) 采用了蜂窝夹层结构。这种听起来悦耳的材料是一种层状结构，外层很薄，外层之间有填充层，呈空的蜂窝状结构。蜂窝结构坚固、重量轻，而且由于外皮层很薄，介电损耗很小。
从电磁角度来看，优化性能主要意味着优化中央蜂窝层的厚度和几何形状。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，仅使用物理原型和测试来完成此操作非常耗时且并不总是可行。
通过仿真优化天线罩性能
为了优化天线罩蜂窝结构以获得最佳性能，NAL 转向了SIMULIA CST Studio Suite。这是一款业界领先的电磁仿真软件，具有针对不同频率和规模的电磁问题的广泛求解器技术。蜂窝结构可以在 CST Studio Suite 中模拟单元级或整个天线罩结构，甚至平台上的安装性能。
图 1：蜂窝夹层结构示意图，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。在下面所示的示例中，NAL 希望开发一种适用于 33-36 GHz 雷达频段的天线罩材料。这是毫米波频率，意味着材料中的介电损耗预计相对较高；需要仔细优化才能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来发展理论并找到最佳设计。仿真结果与测量数据的匹配程度足以让 NAL 对他们的理论充满信心。
借助单个界面中的所有 CST Studio Suite 解算器技术，NAL 还能够执行混合仿真，使用多个解算器来模拟安装在平台上的复杂天线天线罩系统，并使用热解算器来计算天线罩如何因吸收能量而升温。
最终结果如下所示。在 CST Studio Suite 中优化的天线罩设计在感兴趣的频段上实现了低于 -10 dB 的反射系数 (S 11 ) 和接近 0 dB 的传输系数 (S12)。通过仿真，NAL 确保超过 90% 的能量在所有极化的所有频率下通过天线罩传输。
