實威國際股份有限公司

印度國家航空實驗室（National Aerospace Laboratories）使用模擬技術設計先進機頭雷達罩

如何設計一款兼具強度、輕量化並能讓電磁訊號以最低衰減率穿透的雷達罩？

印度國家航空實驗室（NAL）採用 SIMULIA CST Studio Suite電磁模擬分析軟體，在虛擬環境中最佳化蜂巢式雷達罩結構。透過電磁模擬，NAL 在33到36GHz頻段中達成超過 90% 的訊號穿透率，有效提升整體頻段性能並降低實體打樣成本。

✏️挑戰：在保護天線的前提下，實現輕量化且低損耗的機頭雷達罩

當前的設計擁有高強度且輕量化的蜂巢式結構，但在此同時，他們需要能夠兼具最佳電磁性能的解決方案。

✏️解決方案：國家航空實驗室透過SIMULIA CST 電磁分析軟體進行機頭雷達罩電磁特性最佳化

藉由 CST Studio Suite，他們能在單一蜂巢單元（unit cell）層級，或完整雷達罩結構層級進行蜂巢結構的電磁模擬，甚至可評估雷達罩實際安裝後的整體效能表現。

✏️成效：開發出一款在 33到36GHz頻段具備超過 90% 穿透率的機頭雷達罩。

|關於國家航空實驗室（National Aerospace Laboratories, NAL）|

隸屬於印度科學與工業研究理事會（CSIR）。成立於 1959 年，其使命為專注於先進航太技術的研發。NAL 開發創新航太技術，製造中小型飛機，並支援印度的國家航太計畫與產業發展。

航太技術的一個重要領域是天線系統。安裝於飛機及地面站的天線用於傳輸與接收無線電及數據訊號，以進行通訊，同時天線也用於收發導航系統與距離量測的雷達訊號。在任何航空航太天線系統中，雷達罩都是至關重要的組件。

|什麼是雷達罩？|

雷達罩（radome，radar dome 的縮寫）是用來保護天線免於損壞、天候及污損，同時改善天線載體的空氣力學特性的罩殼。它們被廣泛應用於雷達地面站、通訊塔及飛機天線等。雷達罩必須對目標頻段的電波保持可穿透性，無論入射角或極化方式，同時還需兼具高強度、輕量化及氣候耐性。

雷達罩於電磁特性的設計困難點在於確保訊號經過結構時的最佳傳輸效率。當電磁波到達不同材料的接觸面時，一部分能量會被反射或吸收，而不被傳輸出去。材料之間的電磁阻抗越不匹配，訊號反射就越嚴重。理想狀態下，雷達罩在工作頻率下的電磁特性應與周圍空氣完全相同，以確保訊號完美傳輸。能量也可能在傳輸過程中因材料介電損耗而耗散，即電磁波能量被轉換為材料中的熱能。

|以蜂巢夾層結構提升穿透性能|

為設計高效能的機頭雷達罩，國家航空實驗室（NAL）採用了蜂巢夾層（honeycomb sandwich）結構。這名稱雖然有趣，但本質上是一種由外側薄層與中間蜂巢填充層所組成的多層結構，其中蜂巢內部具有空隙。蜂巢結構具備高強度與輕量化的特性，而因為外層很薄，其介電損耗也相對較低。

從電磁特性的角度來看，特性的最佳化主要取決於蜂巢核心層的厚度調整與幾何結構變化。若僅依賴實體樣品與量測進行設計驗證，不僅耗時，也常因材料厚度受限或量測結果無法直接對應到不同結構條件，而使開發流程受限。

圖 1：蜂巢夾層結構示意圖，顯示可進行最佳化的設計參數。

|透過 SIMULIA CST電磁模擬最佳化雷達罩效能|

為了讓蜂巢型雷達罩達到最佳電磁性能，國家航空實驗室（NAL）採用了 SIMULIA CST Studio Suite 。SIMULIA CST 軟體是業界領先的電磁模擬工具，提供多種解決方案技術，適用於不同頻段與規模的電磁問題。蜂巢結構可在SIMULIA CST Studio Suite 軟體中進行單元格（unit cell）層級模擬、完整雷達罩結構模擬，甚至是實際安裝後的整體效能評估。

NAL 將結構參數化後執行最佳化分析快速研究厚度與幾何結構的變化如何影響電磁性能。在以下範例中，NAL 的目標是開發適用於 33到36 GHz 雷達頻段的雷達罩材料。這屬於毫米波頻率範圍，材料於頻段範圍通常會有較高的介電損耗，因此需要經過嚴謹的最佳化作業才能將損耗控制在可接受範圍。

電磁分析能夠在整個頻段內、任意極化與入射角下預測雷達罩的效能。研究人員不受限於現有的材料樣式或厚度條件，而能探索完整設計空間以建立理論並尋找最佳設計。模擬結果與實際量測數據相當接近，使 NAL對其設計與模擬理論具備高度信心。

由於SIMULIA CST 軟體將所有解決方案技術整合於單一平台中，NAL 也得以執行混合模擬（hybrid simulations），可利用多種求解器來模擬分析天線安裝載具與雷達罩組成的複雜系統，並使用熱模擬分析來評估材料因吸收能量而產生的熱效應。

最終結果如下所示: 經SIMULIA CST 電磁模擬最佳化後的雷達罩設計，在目標頻段內達到低於 -10 dB 的反射係數（S₁₁），並使透射係數（S₁₂）接近 0 dB。透過模擬，NAL 確保在所有頻率與極化條件下，雷達罩具備超過 90% 的電磁能量穿透率。

原文作者 Katie Corey

達梭系統SIMULIA 部落格的主編，擅長工程與科學領域的專業溝通，同時是具備策略性思維的數位行銷人員。她擁有羅德島大學的英語與寫作學士學位，以及東北大學的技術傳播碩士學位。她也是 SIMULIA 的忠實推廣者，熱衷於讓模擬技術能更普及、觸及更多不同背景的使用者。

Katie 生於羅德島，目前居住在她最喜愛的城市—Providence附近。身為道地的新英格蘭人，她熱衷與人分享新英格蘭地區各種有趣的事物。她的興趣廣泛，包括歷史、天文、科學與科技、科幻、真實犯罪、時尚，以及所有與大自然與戶外活動相關的事物。她同時也是一位五歲小小工程師的媽媽，家裡還有兩隻精力旺盛的救援犬。

返回文章清單