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天线罩结构的基础知识
2020-06-09
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）。
图 1：雷达系统的基本元器件（图中所示为 iSYS-4004）。（图片来源：InnoSenT）
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。
表 1：各种材料对雷达波的影响 |
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、凸耳、加强件或材料中的凹槽同样如此（图 2）。
图 2：右图显示“错误放置”：天线罩的表面不平，并且未平行于天线放置。左图显示“正确放置”：天线罩的距离均匀，位置和尺寸正确。（图片来源：InnoSenT）
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（介电函数 ε），会使波长缩短 √(εr) 倍。
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。
图 3：计算天线罩材料适当厚度的示例。（图片来源： InnoSenT）
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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