宽带改型B 夹层移动通信天线罩的仿真设计
基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计
现代电子技术Modern Electronics Technique2023年12月1日第46卷第23期Dec. 2023Vol. 46 No. 230 引 言频率选择表面（Frequency Selective Surface, FSS ）是一种由周期性排列的金属片或任意几何形状的孔径元件组成的周期结构[1⁃2]，因其具有独特的频率选择特性而引起研究者们的广泛关注，它广泛应用于空间滤波器[3]、偏振器[4]、隐身天线罩[5⁃6]。
在隐身领域，由于天线通常是强散射源，因此降低整个天线系统的雷达横截面（Radar Scattering Section, RCS ）至关重要。
当外部电磁波照射天线系统时，将天线工作波段外的电磁信号反射到某些方向，缩减了天线的单站RCS 。
同时，FSS 天线罩对天线工作频率范围内的信号具有全传输特性，保证了工作频段内天线的正常通信。
然而，这种反射带外电磁波的方法仅适用于单站雷达，对于双站或多站雷达而言并没有较好的隐身效果。
近年来形成了一种结合FSS 和吸波器的设计思路，它被称为频率选择性吸波体（FSA ）。
FSA 通常能够吸收带外的入射电磁波，并且由一个传输波段来传输通信信号。
FSA 的概念首先在文献[5]中被提到，它一般由两层结构组成，即上层的吸波结构和下层的FSS 结构。
上层的吸波结构通常由金属结构和损耗元件构成，下层的FSS 由孔径元件组成。
根据吸波波段与传输波段位置基于超表面的超宽带隐身天线罩的仿真设计熊 杰， 杨宝平（黄冈师范学院 物理与电信学院， 湖北 黄冈 438000）摘 要： 为了减小飞行器的多基站雷达散射截面，增加天线系统的隐身功能，提出一种基于超表面的超宽带隐身天线罩模型，该模型具有低频吸收、高频传输的特性。
提出的天线罩由位于上层的吸波结构和位于下层的频率选择结构组成。
上层由两个π型金属结构与工型金属结构组合而成，中间通过电阻元件连接，下层由“X ”字型周期缝隙结构组成，每个周期结构中一个电阻层结构对应4个“X ”字型FSS 结构。
天线罩与天线阵全波仿真技术
天线罩与天线阵全波仿真技术天线罩是用来保护天线的一种介质外壳，使天线避免在各种恶劣环境条件下可能造成的损坏，但是天线罩的存在也会影响天线的电性能，包括辐射方向图、功率传输损耗、瞄准误差等。
随着ANSYS HFSS 软件在天馈系统设计中的普及，针对天线及其前端馈电网络的基于仿真的设计流程已经日趋成熟。
先进的设计手段也促进射频模块不停地向更高性能、更高集成度的方向发展。
随着天线指标的不断提高，天线罩的电磁设计，尤其是天线罩与天线或天线阵的一体化设计和联合仿真已经成为迫切需要解决的课题。
天线罩作为复杂天线系统的重要组成部分，其电磁设计也具有相当的难度。
很多天线罩是电大尺寸与复杂材料的混合体，同时，当其内部为波导裂缝天线阵时，还需要考虑天线的转动角度，其转动引起的瞄准误差和瞄准误差斜率对计算精度的要求高，采用全波仿真技术对天线阵带天线罩进行整体精确仿真是必要的。
其产生的大规模计算和大的仿真任务量需要通过先进的算法及并行求解技术实现。
1.新功能3D Component更快实现天线罩与天线阵一体化建模在通常的研发流程中，天线罩与天线或天线阵往往是不同设计小组开发，而在天线罩的电性能研究中，需要将天线或天线阵与天线罩一体化进行考虑，才能获得更为精确且可靠的结果，因为只有这样才能将复杂的近场效应考虑在内。
因而，仿真模型的安全传递成为了实际研发过程中必须要解决的问题。
HFSS中不断完善的3D Component功能可以将HFSS仿真模型保存为一个3D Component，这个Component中包含了HFSS仿真所需的一切设置与信息，包括三维结构、材料属性、端口、边界条件、网格剖分方式、混合算法设置等，可以直接用于新的仿真。
在最新的HFSS 2016版本中，3D Component增加了全新的加密功能，除了可以通过密码保护模型的安全外，还能够隐藏模型的结构细节，在3D Component的使用者看来，就像一个黑盒子，却通过仿真能获得完整模型的所有性能，从而进一步确保了模型传递的安全性，保护。
低成本宽带天线设计与仿真
低成本宽带天线设计与仿真一、前言在现代社会中，网络已经成为人们日常生活不可或缺的一部分，而网络的核心是宽带。
为了满足人们对于网络带宽的需求，天线的设计与优化变得极为重要。
本文将介绍低成本宽带天线的设计与仿真方法，以帮助广大读者了解天线的相关知识和技术。
二、低成本宽带天线的设计原理低成本宽带天线的设计原理是基于天线的基本结构和特性原理。
天线是将电磁波的能量转化为电流或相反的设备。
宽带天线的设计则需要考虑一定频段内的频率范围，其带宽也会影响天线的效果。
有两种常见的天线设计原理，分别是射频传输线和短天线。
1. 射频传输线原理射频传输线原理天线本质上是由一系列导体（通常为电线）形成的连续螺旋线，用于将射频电气信号作为导致电压沿线传输。
当射频信号沿着导线传播时，会导致电流的累积和电磁场的发生。
这种特殊的结构形式赋予了天线独特的频率响应和调谐特性。
2. 短天线原理将远离天线的负载部件置于电源输入端的方法，在实现较高带宽时获得相当普遍应用。
采用这一方法就可以提高天线的传输带宽。
此外，还可以使用特殊的短路或开路断口来消除反射波。
三、低成本宽带天线的仿真方法在优化调试天线之前，建议使用仿真工具来预先设计、验证和分析天线。
天线仿真软件的使用具有多种优助益，包括模拟和分析天线、集成天线结构、将电子元件尺寸或其他设计参数传送给其他CAD工具进行模拟和生产。
常用的天线仿真软件包括CST Microwave Studio、Ansoft HFSS 等。
这些软件可以帮助设计师理解电磁场的特性并生成详细的数据报告。
四、低成本宽带天线的优化方法1. 正交经验模态分解正交经验模态分解是一种能够分离信号和噪声的方法，这种方法能够有效地抑制噪声并优化信号质量。
使用正交经验模态分解技术，可以设计出一种非共面的宽带天线。
2. 共振器优化共振器优化是通过优化天线各元件间的几何形状，实现天线的性能优化。
在此方法中，设计师可以以共振器为基础考虑单元系数，以优化天线应用。
基于多层结构的宽带天线罩设计
基于多层结构的宽带天线罩设计摘要：天线罩是雷达天线系统的重要组成成分，随着天线工作频段的拓宽，天线罩也需要具有宽频带的传输特性，这对天线罩的设计工作提出了更高的要求。
本文基于多层透波结构实现了宽频带透波天线罩的设计。
首先利用等效传输线理论对多层透波结构的传输特性进行分析，计算出多层透波结构的传输系数公式，并分析影响多层透波结构的传输特性的设计因素，然后通过三维电磁仿真软件对多层透波结构进行结构变量优化，仿真设计得到具有宽频带透波特性的多层天线罩结构，同时具有良好的斜入射稳定性。
关键词：天线罩；宽带；多层结构中图分类号：TN820 文献标识码：A1引言天线在飞机、导弹、射电天文、测控等方面有着广泛的应用，天线罩也随之快速发展起来。
雷达天线罩是一种功能结构件，它不仅要满足结构强度和刚度、空气动力、耐环境性和其他特殊功能等要求，还要满足电性能要求，需要对原天线的电性能影响较低[1][2]。
随着军事需求的发展，各类武器系统如战机、舰船的雷达系统需要满足多频段天线的使用，以提高武器系统的通信、制导能力以及电子设备抗干扰能力，这就需要天线罩具有宽频带特性，工作频段同时覆盖一个或多个波段[3]，这就给天线罩的优化设计工作提出了更大的挑战。
传统的天线罩设计采用的计算分析方法，包括低频算法（如矩量法（MOM）、有限元法（FEM）），高频算法（如几何光学法（GO）、物理光学法（PO））和解析方法等。
但是上述算法也存在一些缺点，比如低频算法使用全波分析方法来分析计算，精度高，但计算量大、运算速度慢，高频算法计算精度不高，解析方法常常公式推导过于繁琐复杂等，这些都不利于在实际工程设计中快速进行天线罩高性能的优化设计工作。
本文基于多层结构进行宽频带透波天线罩的设计，首先利用等效传输线理对多层透波结构建立等效电路模型来进行传输特性分析，然后通过三维电磁仿真软件CST 对多层天线罩进行优化计算分析，最终计算得到了宽传输带的多层天线罩结构，同时具有较好的斜入射稳定性。
基于有限元理论的软件仿真设计天线罩方法的开题报告
基于有限元理论的软件仿真设计天线罩方法的开题
报告
1. 研究背景及意义
天线罩是一种在天线周围用于保护天线的外壳，是天线系统设计中不可或缺的一部分。
不仅可以提高天线的抗干扰能力，还可以提高天线的辐射效率和频宽，降低辐射损耗和杂散波等。
天线罩的设计需要考虑材料、形状、几何结构、阻抗匹配等因素，因此常常需要用软件仿真进行模拟，这样能快速、高效地进行参数分析和优化设计。
2. 研究内容及方法
本课题将采用有限元理论进行软件仿真设计天线罩的方法。
具体包括以下几个步骤：
（1）建立天线罩的有限元模型，选择适当的网格精度和材料属性，进行材料参数的输入和界面处理。
（2）进行天线罩的电磁场仿真分析，包括天线的辐射和辐射性能、天线罩的电场分布和电磁波穿透特性等，并通过不同材料和形状的天线罩进行比较分析。
（3）对仿真结果进行分析和优化设计，根据需求，调整天线罩的材料、形状等参数以达到更好的性能指标。
3. 研究计划
本研究计划分为以下几个阶段：
（1）文献调研和理论分析；
（2）建立天线罩的有限元模型，进行软件仿真分析；
（3）分析优化设计，得出最佳天线罩参数；
（4）实验验证，并对仿真结果进行校正。
4. 预期成果
本研究预计将得出一种利用有限元理论进行软件仿真设计天线罩的
方法，解决天线罩参数设计和优化过程中的问题，提高天线系统的性能、抗干扰和抗辐射背景噪声等方面的能力。
成果将在学术论文和相关专业
会议上发表。
天线罩电磁特性的仿真分析
天线罩电磁特性的仿真分析随着无线技术的发展，天线罩的应用变得越来越重要，它给无线通信带来的变化和改变是巨大的。
在天线罩的电磁特性的仿真分析中，有着重要的作用。
这方面的研究主要集中于天线罩的谐振频点和振宽，以及电磁屏蔽性等。
首先，考虑到天线罩的谐振频点。
在仿真分析中，需要考虑到天线罩的谐振频率与尺寸、形状、面积密度等因素有关。
研究表明，若把这些因素考虑在内，则可以得出具体的谐振频点。
而在分析中，又需要考虑到天线罩的振宽，即调制的频率，因此，需要考虑到天线罩的表面形状、振子的形状、表面面积等因素，以及信号的强度等特性，以影响天线罩的振宽。
此外，在仿真分析中还要考虑电磁屏蔽性。
这里要考虑到天线罩的尺寸、材料、形状、拓扑结构等，以及作为背景介质的电磁环境等。
这些因素都会造成天线罩电磁屏蔽性的影响，从而影响其对外部电磁信号的非理想损耗。
针对上述特性，一般在进行仿真分析时，可以采用数值仿真的方法，如采用有限元分析、传输线模拟方法以及计算机模拟等方法，来模拟天线罩的电磁特性。
其中，有限元分析是以有限元技术的基础，以三维空间中的天线罩结构为对象，对它们的电磁特性进行仿真分析；传输线模拟方法是模拟由于天线罩存在电感、容性和电容等电特性时，传输线的响应特性；而计算机模拟是根据计算机模拟方法，分析天线罩的电磁场分布、波形以及接收信号强度等等。
以上是天线罩电磁特性的仿真分析的基本方法，它们可以帮助我们准确的分析和评估天线罩的电磁特性。
通过这些分析，可以辅助我们更好的了解和理解天线罩的工作状态，从而实现有效的无线通信。
总之，天线罩电磁特性的仿真分析有着重要的作用，其分析结果可以提供有关天线罩的基本资料，以及有助于改善其设计性能的有效依据。
因此，对于需要此方面的仿真分析和设计的应用，需要充分的考虑以上提到的因素，并正确地进行分析，以获得更好的结果。
宽带改型B 夹层移动通信天线罩的仿真设计概要
宽带改型B 夹层移动通信天线罩的仿真设计韩国栋，顾长青（南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京，210016）摘要：带宽是移动通信加罩天线的一项重要技术指标。
利用Ansoft HFSS软件，以单极子柱状天线为研究对象，首先对单层罩结构进行仿真，其结果验证了方法的正确性；并在此基础上，提出一种新型的B 夹层罩壁结构，分析了天线谐振频率和带宽随罩壁厚度，材料的介电常数，天线罩内径以及夹芯层占罩壁总厚度比例等参数的变化趋势，找出了以上参数对带宽影响的最优化范围，设计的这种天线罩具有单层罩近2倍的带宽。
关键词：B 夹层天线罩，移动通信，带宽，谐振频率，宽带中图分类号：TN820.8Design and Simulation of Wide-band Improved B-Sandwich Antenna-Radome in Mobile CommunicationHan Guo-dong, Gu Chang-qing(College of Information Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016,ChinaAbstract: Bandwidth is an important technical index of the antenna covered with radome in the mobile communication system. The monopole rod antenna is studied by using the software of Ansoft HFSS. Firstly, the single layer radome is simulated and the results confirm the correctness of this kind of simulation method. Then, one novel B-sandwich radome structure is proposed, and the variation tendency of the resonance frequency and bandwidth depending on a series of parameters, including the total depth of the radome, the permittivity constant of the dielectric interlayer material, the inner radius and the scale of the interlayer depth to the total radome’s, are analyzed. And theoptimal ranges of these parameters for the bandwidth are found out. The result shows that this kind of radome has enhanced one times bandwidth than the single layer radome. 基金项目：江苏省自然科学基金（BK2002093）资助项目作者简介：韩国栋，男，博士研究生，1980年生；E-mail:laorieshan@; 顾长青，男，教授，博士生导师，1958年生。
天线罩电磁特性的仿真分析
天线罩电磁特性的仿真分析今天，技术革新以前所未有的速度发展，无线通信技术发展也在全球范围内受到前所未有的关注。
因此，对于如何有效提高无线信号的实际传输距离，以及对于无线通信技术的实际性能提醒有着巨大的重要性。
天线罩，也被称为信号增益器，是技术领域中最重要的部件之一。
于这种装置，电磁特性的仿真分析是提高性能并检验安装，和保证系统成功运行的关键。
鉴于以上，本文旨在对天线罩电磁特性仿真进行分析，以提高天线罩性能。
首先，将介绍天线罩电磁特性的仿真分析方法。
然后，分析天线罩的建模，并且介绍相关的仿真工具等。
最后，将提出一些建议，以便更好地开发和实现天线罩电磁特性的仿真分析。
关于天线罩电磁特性仿真分析，首先要了解分析方法。
天线罩电磁特性仿真可以有效地分析天线罩的电磁学特性，以使电磁屏蔽效果有效提高，并可以确定模型的准确性。
目前，有两种主要的分析方法可以用来分析天线罩电磁学特性。
第一种方法是有限元法。
有限元法是一种用于分析微小物体的分析方法，其核心思想是将复杂的物体分割成一系列的小区块，并使用有限元模型来评估它们之间的相互作用。
有限元法可以用来评估天线罩表面微小细节以及它们之间的相互作用，从而更准确地分析天线罩的电磁特性。
另一种方法是边界元法，它可以快速地评估天线罩的电磁特性。
边界元法基于解析结构的理论，可以用于评估平面形状或高度简单的几何体的电磁特性。
边界元法可以有效地分析天线罩的电磁特性，而不必考虑它的微小细节，从而为用户提供更准确和可靠的分析结果。
天线罩的建模是进行仿真分析的前提，有效的建模可以为分析人员提供准确的电磁特性仿真数据。
目前，常用的建模软件有HFSS、Ansoft Designer和CST Microwave Studio等。
其中，HFSS可以有效地建模出电磁中的三维几何体，可以用来建模复杂的天线罩几何体，而Ansoft Designer则更适用于建模复杂的几何模型，两种软件均可以非常准确地模拟出实际天线罩上几何细节。
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次得到在 VSWR<2.0 下的带宽，（见图 8）， 我们所设计的 B 夹层天线罩在 VSWR<2.0
情况下，具有单层天线罩近 2 倍的带宽，这 对于改善天线的电性能具有相当大的积极 意义,同时也达到了我们预期的目的。而填充 Nomex 蜂窝材料的夹层罩壁与未填充蜂窝 材料的夹层罩壁在带宽上差异不是很大，但 是后者对天线－天线罩系统的固定具有重 要的作用。
宽带改型 B 夹层移动通信天线罩的仿真设计
韩国栋，顾长青
（南京航空航天大学信息科学与技术学院，南京，210016）
摘要：带宽是移动通信加罩天线的一项重要技术指标。利用 Ansoft HFSS 软件，以单极子柱状天线为研究 对象，首先对单层罩结构进行仿真，其结果验证了方法的正确性；并在此基础上，提出一种新型的 B 夹层 罩壁结构，分析了天线谐振频率和带宽随罩壁厚度，材料的介电常数，天线罩内径以及夹芯层占罩壁总厚 度比例等参数的变化趋势，找出了以上参数对带宽影响的最优化范围，设计的这种天线罩具有单层罩近 2 倍的带宽。 关键词：B 夹层天线罩，移动通信，带宽，谐振频率，宽带 中图分类号：TN820.8
内 选 取 了 一 固 定 值 Rin = 0.064λ0 ，
Tc = 0.05λ0 。从图 6 看出，随 T 的增加，谐
3
振频率 fB 在 0.9 ~ 1.05 倍的 fr 范围内呈逐
渐增加趋势，但变化不是很大。带宽方面，
在 0.25 < T < 0.55 范围内，带宽可以达到 65% 以上，因此，这个范围是我们在工程
显。罩壁厚度 Tc 大约在 Tc < 0.05λ 0 以及 0.064λ0 < Tc < 0.2λ0 范围， fB 偏低，从图 3 的带宽变化曲线看出，大约在 Tc < 0.07λ0
2
时， B 夹层罩壁比单层罩壁有明显的优势， 可 以 提 高 接 近 20% ； 但 是 在 0.07λ0 < Tc < 0.2λ0 时，夹层罩壁的带宽性
2 研究方法的实现
本文研究的具体过程是：首先用HFSS 软件仿真了文献[4]提供的单层天线罩模型， 得到的结论与文献[4]用FDTD方法一致；然 后提出一种新型B夹层天线罩结构，通过不 断改进电气参数的设计值以优化电气性能， 最终实现了更高工程要求的宽带型天线罩 结构。
2.1 B 夹层天线罩电性能随不同参数变 化的分析
Abstract: Bandwidth is an important technical index of the antenna covered with radome in the mobile communication system. The monopole rod antenna is studied by using the software of Ansoft HFSS. Firstly, the single layer radome is simulated and the results confirm the correctness of this kind of simulation method. Then, one novel B-sandwich radome structure is proposed, and the variation tendency of the resonance frequency and bandwidth depending on a series of parameters, including the total depth of the radome, the permittivity constant of the dielectric interlayer material, the inner radius and the scale of the interlayer depth to the total radome’s, are analyzed. And the optimal ranges of these parameters for the bandwidth are found out. The result shows that this kind of radome has enhanced one times bandwidth than the single layer radome. Key words: B-sandwich Radome, mobile communication, resonance frequency , bandwidth, wide band
宽特性变化不大，而 εr2 ∉ (6, 9) 时，带宽明
显下降。故夹层材料采用蜂窝结构的玻璃
钢 ， 电 性 能 常 数 εr2 = 6.56 ， tan δ ≤ 0.005 [10] 。 本 文 频 率 扫 描 范 围 ： 1.32 ~ 3.52GHz 。
仿真设计中，考虑到复合材料的厚度对 天线罩的电性能、刚度以及强度有很大的影 响，本文首先选取复合材料厚度占罩壁厚度
材 料 [7] ， 其 中 εr = 1.09 ，
tan δ = 4.32 ×10−3 。同时，由单极子天线
的辐射特性知，在天线轴向较小的俯仰角
内，辐射很小，天线罩的高度 H c 对天线辐
射的影响亦很小，故将 H c 降至实际工艺设
计的范围内，即取 Hc = L + Tc ，并把天线
罩的顶端封闭，顶端部分的介质材料特性与 周侧罩壁一致，天线的长度不变，仍然是
( 归一化谐振频率) fB/fr,fs/fr
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
:B夹层天线罩(fB/fr)
:单层天线罩(fs/fr)
0.75
0.70
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
内径Rin(λ0/m)
图 4 加罩后天线的归一化中心频率偏移比较
带宽(%)(电压驻波比<2)
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Design and Simulation of Wide-band Improved
B-Sandwich Antenna-Radome in Mobile Communication
Han Guo-dong, Gu Chang-qing
(College of Information Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016,China)
λ0 = 15.625cm 。单层天线罩和 B 夹层天线
罩的中心频率分别为 fS 和 fB 。单层罩材料
的相对介电常数 εr = 3.0 ；B 夹层天线罩蒙
皮材料的介电常数为 εr1 = εr3 = 2.2 ，通过
对不同夹层介电常数天线罩电性能的功率
传输系数 T [9]的分析，当 εr2 ∈ (6, 9) 时，带
1 研究背景
随着第三代移动通信的迅速发展，通信 天线的要求越来越高，例如在 IMT-2000 系
统中，天线带宽已要求达到 2GHz 左右。同
时，为避免外置天线的裸露，减少风，雨， 沙尘等自然现象的危害，天线罩多采用类圆
基金项目：江苏省自然科学基金（BK2002093）资助项目 作者简介：韩国栋，男，博士研究生，1980 年生；E-mail: laorieshan@; 顾长青，男，教授，博士 生导师，1958 年生。
的优势范围内选取如下数据：Tc = 0.05λ0 ，
Rin = 0.05λ0 和T = 0.5 ，用 HFSS 建模、仿 真得到了 VSWR<2.0 时的带宽结果，并就
这两种结构进行比较。 为使天线-天线罩一体化结构稳定，本
文采用在罩壁内侧与天线之间填充低介电 常数、低损耗的复合介质材料－Nomex 蜂窝
30
20
:B夹层天线罩
10
:单层天线罩
0
0.05
0.10
0.15
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0.25
内径Rin(λ0/m)
图 5 加罩后天线带宽比较
2.1.3 输入特性随夹层厚度的比例 T 的 变化
由于我们在罩壁结构的设计中采用了
夹层，因此有必要讨论一下夹层比例 T 对天
线性能的影响。在分析了天线加罩电性能随
Tc , Rin 的变化后，我们在其各自的优势区域
0.05
0.10
0.15
罩壁厚度Tc(λ0/m)
0.20
图
2 加罩后天线的归一化中心频率偏移比较
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50
40
30
20
:B夹层天线罩
:单层天线罩
10
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
罩壁厚度Tc(λ 0/m)
带宽(%)(电压驻波比<2)
图 3 加罩后天线带宽比较
2.1.2 输入特性随罩内径 Rin 的变化
径，取 5mm ；L 为振子高度，取 λ0 / 4 ; H c 为罩体的总高度，取125mm ，这些取值保
证了与文献[4]的统一，利于分析对比。本文 对单极子采用同轴馈电（图 1-c 示），为保
证同轴线的特征阻抗为 50Ω ，同轴线外导 体半径 b 与内导体半径 a 的关系须满足 b / a = 2.3 [8]。无罩时天线工作的中心频率 fr = 1.92GHz ， 其 工 作 波 长
1
柱形结构，天线罩结构对天线电性能的影响 必须考虑。对于移动通信领域的天线罩来 说，罩壁结构位于天线近场区，主要关心的 是天线罩对天线方向图以及驻波比等指标 的影响[1]。