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用含氟聚合物织物满足高频天线罩的需求

Alex Blenkinsop, Saint-Gobain

最好的天线罩就是没有天线罩。但当需要时，它要保护里面的电子设备不受室外环境的影响，同时对发射信号产生尽可能小的衰减。天线罩在历史上有三种应用：1）航空航天；2）在高频下运行的大型地面装置；3）用于低频电信的简单防护罩。随着5G毫米波、物联网、低轨卫星互联网和回程应用的增加，许多通信技术准备进入这个市场，所有这些技术的工作频率都高于其现有技术。

与低频系统相比，更高的工作频率有几个优势。但它们之所以成为新用例，核心是它们允许系统以更快的速度为更多的用户传输更多的数据。这些优势对几乎所有用例的可行性都至关重要，但它们确实带来了新基础设施必须克服的重大挑战。

天线罩选项

历史上，电信天线罩有两种主要结构：1）单层整体材料，如玻璃纤维增强的热固性材料或热塑性材料；2）多层三明治复合材料，在看不见电的核心两侧使用结构表皮来限制信号阻隔材料的数量。这些解决方案很适合目前的低频技术。然而，它们在较高的频率下会遇到明显的电气和热限制。因此，第三种结构已经被开发出来：3）由支撑框架拉紧的结构织物。图1显示了高频天线罩的三种选项。

天线罩的主要功能是保护里面的电子设备，同时不妨碍信号传输。任何天线罩的有效性主要取决于对传输和反射波的影响。所有的天线罩都是由介电材料组成的，主要是由它们的介电常数（D_k）、耗散系数（D_f）和厚度来定义。对于一个信号从空气中通过一个各向同性的、具有可忽略的磁场特性的均质电介质，自由空间和电介质的阻抗定义如下：

其中Z₀是自由空间的阻抗，Z₁是电介质的阻抗，E是电场强度，H是磁场强度，μ₀是磁常数（自由空间的磁导率），ε₀是电常数（自由空间的介电常数）。

当入射信号通过整体电介质传输时，它经历了两次介质变化：第一次是在自由空间/电介质边界，波进入天线罩，第二次是在电介质/自由空间边界，波离开天线罩。这两个界面都会产生反射和透射波，并且都会通过反射和吸收的组合产生损耗。所产生的损失比率由反射和透射系数决定，其定义如下：

其中Γ是反射系数，Π是透射系数。

由于天线罩有意使用低损耗材料，因此，支配整体性能的是反射损耗而不是吸收。因此，天线罩的目的可以简化为利用其结构来抵消反射波的振幅，以便几乎没有能量被送回发射器。在电介质内有无限多的反射波和透射波，但如果假设是一阶近似，这种抵消是通过将厚度匹配到信号自由空间波长的一半，或其倍数来实现的，如下式所示：

其中，φ₁是第一次反射的累积相位，φ₂是第二次反射的累积相位，Δφ是期望的相位差。

在计算第一个反射波的累积相移时，需要注意的是，当反射波从折射率较低的介质穿越到折射率较高的介质时，即试图进入天线罩时，自然会经历+180度的相移。通过将天线罩的电气厚度设计成正好是0.5λ，第二个反射波在通过天线罩的两段旅程中自然经历了+360度的相位变化，并实现了消波所需的+180度差。这种行为在图2中得到了说明。

为了确定电介质的正确物理厚度，假定电厚度等于折射率乘以物理厚度；由于天线罩材料的损耗正切很低，这可以进一步简化为等于物理厚度乘以介电常数的平方根。将第二个反射波的累积相位与消波所需的相位变化相比较，等于如下：

其中λ是自由空间的波长，D_k代表天线罩的介电常数，t是物理厚度。

如果操作得当，在正常入射角下，这种解决方案可以提供极低的损耗，并具有环境保护所需的结构支持。然而，当预期有高入射角或宽频带系统需要多个频率无障碍通过时，这种结构就会大受影响。

三明治层压板的操作方式与此基本相同，但有额外的边界界面。Griffiths¹和其他人指出了消波的理想结构是核心厚度为四分之一波长。然而，这个经验法则只是一个近似值，Mazlumi²更准确地描述了相互作用。随着空气核心的近似，出现了以下最大透射的条件（公式23, Mazlumi, 2018）：

其中j=√(-1)，δ₁ (resp. δ₂) 通过表皮(resp. core)的单向相位积累2π\/λt_√D_k，ρ是空气-表皮界面的横向反射系数。

如果表皮在电气上可以忽略不计（e^±2jδ1=1），那么核心的电气厚度必须是四分之一波长，以获得最大透射系数。然而，如果表皮不是绝对的电学上的薄，或者核心有一个折射率n_core≠1，则不再满足条件，必须使用厚度的数字优化来获得最佳透射系数。

高频天线罩中的织物

织物传统上被用于更大的充气式天线罩，使用正压来保持结构完整性。对于高频系统，它们已经被重新设计，以优化新的应用。织物复合材料由高强度的芳纶纤维（Kevlar^®）和混合的含氟聚合物基体构成。芳纶纤维的排列是平坦的、平织的，以增强弯曲特性和撕裂强度，专门用于天线罩。混合的含氟聚合物基体使用聚四氟乙烯（PTFE）和氟化乙烯-丙烯（FEP），以提供最佳的疏水性，防止积水并促使雨水从外表面滑落。

与其他天线罩结构一样，它们在入射信号下的行为受图2中单片塑料的相同物理原理支配。关键的区别是它们的厚度极低。如果电介质材料的厚度小于自由空间中信号波长的大约十分之一（t<0.1λ），则天线罩可以被定义为电薄。在这些条件下，天线罩通过最小化第二个反射波所经过的距离来实现所需的180度相位差，从而使随后的累积相移可以忽略不计。这在图3中得到了说明。

用于天线罩的结构织物的总标称厚度为0.20毫米，而单片塑料的厚度约为5毫米，额外的厚度是提供所需结构性能的必要条件。这种厚度差异的重要性与通过的信号波长密切相关，说明了为什么高频应用需要新的天线罩解决方案。

在1GHz，通过天线罩的信号的波长为300毫米。这个长波长使得基于塑料和织物的系统都有资格成为电薄片（t_plastic=0.0167λ，t_fabric=0.0007λ），因此通过这两个系统的相位变化程度是可以忽略不计的。然而，在40GHz，信号的波长只有7.5毫米，因此只有基于织物的系统继续表现为电薄电介质（t_plastic=0.67λ，t_fabric=0.03λ）。在分析每种天线罩在特定频率下的总传输损耗时，可以看到这种差异的重要性。图4显示了在5G毫米波频率内调谐到n260频段下部的每种天线罩的优化设计。

从厚度的影响可以看出，单片塑料（蓝色）的设计电厚度等于半个波长，以调整到所需的37GHz频率，而张紧的织物（绿色）的损失仍然很低，因为最大的反射发生在更高的频率。这种即使在高频率下也表现得像电薄电介质的基本差异，使含氟聚合物织物不受频带影响，并在宽频率范围内提供低损耗。三明治复合材料（橙色）图显示了在电子隐形核心的两侧增加额外的表皮，可以在0度入射角提供额外的宽频带优势。

到目前为止，每一种电气情况都分析了天线罩在正常入射角下的影响，但在实际应用中很少是这样的。如果偏离正常角度太大，入射信号的角度会产生额外的传输损失。尽管在理解这些角度的影响时，与发射信号的接近增加了复杂性，但其影响可以通过将其等同于发射波所经历的几何形状的变化来简化。

对于调谐的天线罩系统，如现有的三明治和单片技术，这种几何形状的变化增加了波必须穿过的材料数量，因此增加了第二次反射的累积相位。如果这个入射角很大，它将导致第二次反射波不再抵消第一波的振幅，并产生明显的信号衰减。图5显示了60度入射角对各项技术的影响。

最后一个对天线罩很重要的功能是它能最大限度地减少雨、雪或冰等形式的表面积水。这可以说是高性能天线罩最关键的功能，因为与典型的天线罩材料相比，水具有如此高的衰减特性，即使是少量的水也会造成巨大的信号衰减。高介电常数（比典型的天线罩材料高约25倍）将产生额外的反射损耗；而增加的损耗正切（约30倍）将产生吸收损耗。在毫米波段，这些损失可以很容易地超过1dB，甚至使设计良好的天线罩无法使用。

含氟聚合物织物本质上是疏水性的，专门用于通过最大限度地提高水在其表面的流动性来防止水的积聚。疏水性通常被定义为与极性分子产生大于90度的静态接触角的表面，任何角度小于90度的都被定义为亲水性。虽然这个定义在过去为许多行业提供了很好的服务，但疏水材料的静态接触角并不总是与潮湿条件下的信号衰减有很好的关联，因为这些测量没有考虑到表面纹理和微特征对水滴流动性的影响。这里介绍的织物结合了氟聚合物化合物、编织织物和工程表面的独特有效混合，不仅提供了传统定义的疏水表面，而且提供了已被证明能增加水径流的可能性的表面。

水滴的流动性可以通过选择一个固定的表面角度和评估不同体积的水滴的流动性来确定哪些保持固定，哪些是流动的。图6在完全垂直（90度倾斜）表面的情况下，比较了ABS（一种典型的单片塑料天线罩材料）和氟聚合物织物。在这项研究中，我们看到体积达26μL的水滴被固定在ABS表面，而任何大于8μL的水滴在含氟聚合物织物表面是流动的。这种增加的水滴流动性促进了水的脱落，并将信号衰减降到最低。

织物天线罩的次要好处

与现有的技术相比，含氟聚合物织物有两个额外的好处，这与它们的电气性能无关。首先，它们是天然的紫外线稳定化合物，在一定的使用寿命内提供更高的性能；其次，它们的导热性比现有的同类产品低，所以散热速度更快。

几十年来，作为一种天然的惰性聚四氟乙烯化合物，可以抵抗环境的风化，而不需要维修或更换。对于高频织物天线罩，这种技术已经与高效的紫外线阻隔剂复合，使强大的芳纶织品做到充分的保护，确保持久的结构完整性，同时在天线罩的整个使用寿命中保持其疏水特性。

它们的热优势是由更大的刚度和更低的热导率组成的。经过ASTM D5470测试的含氟聚合物织物的导热系数为0.18W/mK，结合0.20毫米的标称厚度，其R值为0.011m²K/W。对于一个设计良好的整体塑料或三明治复合材料天线罩，R值将分别比任何织物解决方案高3倍和6倍。通过以更快的速度散热，含氟聚合物织物可以最大限度地减少对复杂的冷却系统的需求，通过降低环境工作温度来延长里面的电子设备的寿命，并在恶劣的天气中帮助融化表面的冰雪。

参考文献

1.L. Griffiths, “A Fundamental and Technical Review of Radomes,” MP Digest, 2008.

2.F. Mazlumi, “Analysis and Design of Flat Asymmetrical A-Sandwich Radomes,” Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering, Vol. 10, July 2018, pp. 9-13.

图1 用于高频应用的天线罩结构选项。

图2 电厚天线罩的反射波与透射波的关系。

图3 电薄天线罩的反射波与透射波的关系。

图4 三种天线罩在37GHz和0度入射角被调整到最佳性能。

图5 三种天线罩在60度入射角和37GHz被调谐到最佳性能。

图6 水的流动性是ABS表面和氟聚合物织物表面上液滴体积的函数。