如何設計一款堅固、輕量，且能讓電磁訊號以最小損耗穿透的雷達罩？
印度國家航空實驗室（National Aerospace Laboratories, NAL） 運用 SIMULIA CST Studio Suite，在虛擬環境中最佳化蜂巢結構雷達罩設計。透過模擬，NAL 成功實現了在 33–36 GHz 頻段中超過 90% 的訊號穿透率，在無需昂貴實體原型的情況下，達成高效能成果。
挑戰：設計輕量且不影響天線效能的雷達罩
NAL 的任務是開發一種既堅固又輕量的蜂巢結構雷達罩，但他們需要一種工具來模擬最佳化該結構的電磁特性，以確保性能最佳。
解決方案：以 CST Studio Suite 最佳化雷達罩的電磁性能
NAL 採用 CST Studio Suite 來分析並最佳化雷達罩的電磁行為。
透過該軟體，他們能在單元級（Unit Cell Level）或整體雷達罩結構層級進行模擬，甚至可模擬其安裝於平台上的實際效能。
成果：在 33–36 GHz 頻段中達成超過 90% 的穿透率
NAL 開發出一款在 33–36 GHz 頻帶中具備 >90% 訊號傳輸率的高效雷達罩。
關於印度國家航空實驗室（National Aerospace Laboratories, NAL）
NAL 隸屬於印度科學與工業研究理事會（CSIR），成立於 1959 年，專注於先進航空科技的研究與開發。
該機構致力於開發新型航空技術、設計製造中小型飛機，並支援印度國家級航空計畫與產業發展。
航空科技的一個關鍵領域是天線系統。
天線被安裝於飛機或地面站，用於發送與接收無線電與資料訊號，支援通訊、導航與雷達測距。
在這些天線系統中，雷達罩（Radome）扮演非常重要的角色。
什麼是雷達罩（Radome）？
雷達罩（Radar Dome, 簡稱 Radome）是一種用來保護天線免於損壞、天候影響與污染的外殼，同時也能改善安裝平台的空氣動力性能。
它廣泛應用於地面雷達站、通訊塔以及飛機天線等場域。
雷達罩必須具備以下特性：
- 對工作頻段內的電波透明（不論入射角與偏振狀態），
- 同時要堅固、輕量且耐候。
雷達罩設計中最大的電磁挑戰是：確保訊號能以最佳效率穿透結構。
當電磁波通過不同材料界面時，部分能量會被反射或吸收，而非完全傳輸。
兩種材料的電磁阻抗差異越大，反射就越強。理想狀況下，雷達罩在工作頻率範圍內的電磁特性應與周圍空氣完全一致，以達成完美的穿透。
此外，能量也可能因介電損耗（Dielectric Loss）而轉化為熱能，進一步造成信號能量損失。
蜂巢夾層結構提升訊號穿透率
為設計高性能雷達罩，NAL 採用了蜂巢夾層結構（Honeycomb Sandwich Structure）。
這種結構由兩層薄外皮與中間蜂巢狀填充層組成，內部為空心。蜂巢結構兼具高強度與低重量，且因外層極薄，能有效降低介電損耗。
從電磁角度來看，性能最佳化的關鍵在於調整中間蜂巢層的厚度與幾何結構。
若僅依賴實體原型與測試來完成這類設計，往往既耗時又受限於材料條件，且不同厚度的實驗結果不一定具有可比性。
以模擬最佳化雷達罩性能
為了在有限時間與成本內達到最佳化設計，NAL 採用 SIMULIA CST Studio Suite 來模擬其蜂巢雷達罩結構的電磁性能。
CST Studio Suite 是業界領先的電磁模擬軟體，具備多種跨頻率與多尺度求解器技術（Solver Technologies），可分析不同頻段下的電磁行為。
蜂巢結構可在 CST Studio Suite 中以單元層級（Unit Cell）或完整雷達罩結構層級進行模擬，甚至可模擬安裝在飛行平台上的整體效能。
NAL 使用參數化最佳化（Parametric Optimization）技術，快速分析厚度與幾何變化對電磁性能的影響。
在以下範例中，NAL 目標是開發一種適用於 33–36 GHz 雷達頻段的雷達罩材料。
由於這屬於毫米波（mmWave）頻率範圍，材料的介電損耗較高，因此必須謹慎最佳化以維持在可接受水準。
模擬能夠在整個頻段與任意偏振角、入射角下，完整預測性能。
研究人員不受限於可取得的實體材料，能在完整設計空間中探索理論並找到最優設計。
模擬結果與實測數據高度吻合，使 NAL 對其理論模型充滿信心。
由於 CST Studio Suite 提供多求解器整合於單一介面的能力，NAL 也能執行混合模擬（Hybrid Simulation），結合多個求解器以分析安裝於平台上的複雜天線與雷達罩系統，並利用熱求解器計算因能量吸收所造成的雷達罩升溫效應。
最終成果
下圖顯示最終結果。
經 CST Studio Suite 最佳化後的雷達罩設計，於目標頻段內達成：
- 反射係數（S11）低於 -10 dB，
- 傳輸係數（S12）接近 0 dB。
透過模擬，NAL 確保在所有頻率與所有偏振條件下，超過 90% 的能量能穿透雷達罩，達成高效能且低損耗的電磁傳輸特性。
原文轉載來自: Katie Corey – National Aerospace Laboratories Use Simulation to Design Advanced Radomes
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