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利用SIMULIA CST电磁分析：印度国家航空实验室打造高性能轻量化雷达罩

2026-01-20

如何设计一款兼具强度、轻量化并能让电磁讯号以最低衰减率穿透的雷达罩？

印度国家航空实验室（NAL）采用 SIMULIA CST Studio Suite电磁仿真分析软件，在虚拟环境中优化蜂巢式雷达罩结构。通过电磁模拟，NAL 在33到36GHz频段中达成超过 90% 的讯号穿透率，有效提升整体频段性能并降低实体打样成本。

✏️挑战：在保护天线的前提下，实现轻量化且低损耗的机头雷达罩

当前的设计拥有高强度且轻量化的蜂巢式结构 ，但在此同时，他们需要能够兼具最佳电磁性能的解决方案。

✏️解决方案：国家航空实验室通过SIMULIA CST 电磁分析软件进行机头雷达罩电磁特性优化

藉由 CST Studio Suite，他们能在单一蜂巢单元（unit cell）层级，或完整雷达罩结构层级进行蜂巢结构的电磁仿真，甚至可评估雷达罩实际安装后的整体效能表现。

✏️成效：开发出一款在 33到36GHz频段具备超过 90% 穿透率的机头雷达罩。

01 关于国家航空实验室（National Aerospace Laboratories, NAL）

隶属于印度科学与工业研究理事会（CSIR）。成立于 1959 年，其使命为专注于先进航天技术的研发。NAL 开发创新航天技术，制造中小型飞机，并支持印度的国家航天计划与产业发展。

航天技术的一个重要领域是天线系统。安装于飞机及地面站的天线用于传输与接收无线电及数据讯号，以进行通讯，同时天线也用于收发导航系统与距离量测的雷达讯号。在任何航空航天天线系统中，雷达罩都是至关重要的组件。

02 什么是雷达罩？

雷达罩（radome，radar dome 的缩写）是用来保护天线免于损坏、天候及污损，同时改善天线载体的空气力学特性的罩壳。它们被广泛应用于雷达地面站、通讯塔及飞机天线等。雷达罩必须对目标频段的电波保持可穿透性，无论入射角或极化方式，同时还需兼具高强度、轻量化及气候耐性。

雷达罩于电磁特性的设计困难点在于确保讯号经过结构时的最佳传输效率。当电磁波到达不同材料的接触面时，一部分能量会被反射或吸收，而不被传输出去。材料之间的电磁阻抗越不匹配，讯号反射就越严重。理想状态下，雷达罩在工作频率下的电磁特性应与周围空气完全相同，以确保讯号完美传输。能量也可能在传输过程中因材料介电损耗而耗散，即电磁波能量被转换为材料中的热能。

03 以蜂巢夹层结构提升穿透性能

为设计高效能的机头雷达罩，国家航空实验室（NAL）采用了蜂巢夹层（honeycomb sandwich）结构。这名称虽然有趣，但本质上是一种由外侧薄层与中间蜂巢填充层所组成的多层结构，其中蜂巢内部具有空隙。蜂巢结构具备高强度与轻量化的特性，而因为外层很薄，其介电损耗也相对较低。

从电磁特性的角度来看，特性的优化主要取决于蜂巢核心层的厚度调整与几何结构变化。若仅依赖实体样品与量测进行设计验证，不仅耗时，也常因材料厚度受限或量测结果无法直接对应到不同结构条件，而使开发流程受限。
图 1：蜂巢夹层结构示意图，显示可进行优化的设计参数。

04 通过 SIMULIA CST 电磁模拟优化雷达罩效能

为了让蜂巢型雷达罩达到最佳电磁性能，国家航空实验室（NAL）采用了 SIMULIA CST Studio Suite 。SIMULIA CST 软件是业界领先的电磁模拟工具，提供多种解决方案技术，适用于不同频段与规模的电磁问题。蜂巢结构可在SIMULIA CST Studio Suite 软件中进行单元格（unit cell）层级仿真、完整雷达罩结构仿真，甚至是实际安装后的整体效能评估。

NAL 将结构参数化后执行优化分析快速研究厚度与几何结构的变化如何影响电磁性能。在以下范例中，NAL 的目标是开发适用于 33到36 GHz 雷达频段的雷达罩材料。这属于毫米波频率范围，材料于频段范围通常会有较高的介电损耗，因此需要经过严谨的优化作业才能将损耗控制在可接受范围。

电磁分析能够在整个频段内、任意极化与入射角下预测雷达罩的效能。研究人员不受限于现有的材料样式或厚度条件，而能探索完整设计空间以建立理论并寻找最佳设计。仿真结果与实际量测数据相当接近，使 NAL对其设计与模拟理论具备高度信心。

由于SIMULIA CST 软件将所有解决方案技术整合于单一平台中，NAL 也得以执行混合模拟（hybrid simulations），可利用多种求解器来仿真分析天线安装载具与雷达罩组成的复杂系统，并使用热仿真分析来评估材料因吸收能量而产生的热效应。

最终结果如下所示: 经SIMULIA CST 电磁模拟优化后的雷达罩设计，在目标频段内达到低于 -10 dB 的反射系数（S11），并使透射系数（S12）接近 0 dB。通过仿真，NAL 确保在所有频率与极化条件下，雷达罩具备超过 90% 的电磁能量穿透率。
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