王云香，許　群，劉尚吉，喬承曉

(高性能電磁窗航空科技重點實驗室，　濟(jì)南 250031)

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試驗天線對雷達(dá)罩傳輸效率的影響及分析

王云香，許群，劉尚吉，喬承曉

(高性能電磁窗航空科技重點實驗室，濟(jì)南 250031)

摘要：在雷達(dá)罩電性能測試過程中，需要用到試驗天線，試驗天線的類型、極化方式和口徑尺寸對雷達(dá)罩電性能測試結(jié)果有一定影響。文中對試驗天線口徑尺寸對雷達(dá)罩傳輸效率的影響程度進(jìn)行了仿真計算，通過對比測試驗證了仿真計算的正確性。計算和測試結(jié)果表明：當(dāng)試驗天線與裝機天線口徑尺寸差別不大時，試驗天線口徑尺寸對傳輸效率的影響較小。在工程實踐中，當(dāng)無法得到裝機天線時，可以用類型相同、極化方式相同、口徑相近的天線作為試驗天線，以完成傳輸效率的測試。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)罩；傳輸效率；測試；試驗天線

0引言

雷達(dá)罩電性能試驗是檢測雷達(dá)罩電性能優(yōu)劣的必要手段，通常采用比較法檢測雷達(dá)罩的電性能，根據(jù)加罩前后被測天線輻射參數(shù)的變化計算得到雷達(dá)罩的電性能參數(shù)。安裝在雷達(dá)罩內(nèi)的天線通常稱作試驗天線，選取不同的試驗天線，對雷達(dá)罩電性能試驗結(jié)果有一定影響[1-2]。

關(guān)于試驗天線的選取原則，通常是用真實天線或與真實天線電特性等效的天線作為試驗天線，只有采用真實天線或等效天線時，試驗結(jié)果最準(zhǔn)確。當(dāng)無法獲得真實天線或等效天線時，采用其他形制相同、尺寸相近的天線作為替代品，則會引入一定的試驗誤差。本文對不同尺寸試驗天線對雷達(dá)罩傳輸效率的影響，進(jìn)行了仿真計算和試驗驗證。

1不同尺寸天線對雷達(dá)罩傳輸效率影響的仿真計算

1.1仿真方法

所有求解電磁散射的理論和方法都可能用于雷達(dá)罩的電性能仿真計算，這些方法主要有兩類：一類是數(shù)值解法；另一類是高頻近似法[3-6]。數(shù)值解法包括矩量法、有限元法和時域有限差分法；高頻近似法包括幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法、幾何繞射法、物理繞射法和等效電磁流法等。當(dāng)雷達(dá)罩的曲率半徑和天線口徑均遠(yuǎn)大于雷達(dá)工作波長時，采用幾何光學(xué)法對雷達(dá)罩電性能進(jìn)行仿真計算，計算效率很高，而且能夠得到理想的計算精度。幾何光學(xué)法的主要原理是用一束垂直于天線口面的射線代表輻射到雷達(dá)罩上的電磁波，引入雷達(dá)罩對每條射線的幅度和相位的影響來計算加罩后天線的方向圖。通過比較加罩前后天線方向圖的變化，得到雷達(dá)罩的電性能參數(shù)。

用幾何光學(xué)三維射線跟蹤法計算加罩后天線遠(yuǎn)場方向圖的算式為[7-8]

exp[j(φmn+Ψmn)]

(1)

其中

(2)

(3)

為了確定試驗天線口徑尺寸對雷達(dá)罩電性能的影響，采用幾何光學(xué)三維射線跟蹤法對雷達(dá)罩配套不同天線時的電性能進(jìn)行了仿真計算。對比計算用的是同一雷達(dá)罩、不同的壁結(jié)構(gòu)形式、不同口徑的天線。

1.2天線特性

計算針對不同口徑的試驗天線，分別稱為試驗天線1、試驗天線2和試驗天線3。三部試驗天線均為平板裂縫天線，垂直極化，工作于X波段。試驗天線1的口徑是Ф900 mm，試驗天線2的口徑是Ф580 mm，試驗天線3的口徑是Ф450 mm。

三部天線的尺寸不同，口徑分布也不同，其方向圖曲線如圖1～圖3所示，三部天線特性匯總見表1。由此可見，天線口徑場分布不同，其方向圖特性也有一定差別。

表1　天線特性匯總

圖1　試驗天線1的主平面和方向圖曲線

圖2　試驗天線2的主平面和方向圖曲線

圖3　試驗天線3的主平面和方向圖曲線

1.3雷達(dá)罩壁結(jié)構(gòu)

試驗用雷達(dá)罩為旋轉(zhuǎn)對稱的卵形雷達(dá)罩，其典型外形如圖4所示，天線與雷達(dá)罩的典型位置關(guān)系如圖5所示。雷達(dá)罩的壁結(jié)構(gòu)形式為實芯半波壁結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)。實芯半波壁結(jié)構(gòu)的壁厚沿雷達(dá)罩軸線方向做變厚度設(shè)計，夾層結(jié)構(gòu)的芯層沿雷達(dá)罩軸線方向做變厚度設(shè)計。

圖4　雷達(dá)罩典型外形示意圖

圖5　天線與雷達(dá)罩的典型位置關(guān)系

1.4仿真計算結(jié)果

分別針對實芯半波壁結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩匹配不同口徑天線時的傳輸效率進(jìn)行仿真計算。

1.4.1半波壁結(jié)構(gòu)的傳輸效率

根據(jù)加罩前后天線方向圖峰值功率的比值，對圖4所示雷達(dá)罩半波壁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的傳輸效率進(jìn)行了仿真計算。仿真計算分三種情況，即罩內(nèi)天線分別為試驗天線1、試驗天線2和試驗天線3共三種情況，頻率為f0，俯仰掃描角為參變量，方位掃描角為-60°～40°，每間隔1°為一個采樣點，共有1 000多個點的傳輸效率數(shù)據(jù)。仿真計算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表2，部分典型曲線見圖6。表2中的每一行代表該俯仰角下所對應(yīng)的一條傳輸效率曲線的統(tǒng)計結(jié)果，傳輸效率平均值是指各俯仰角下100余個傳輸效率數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，傳輸效率最小值則是指各俯仰角的傳輸效率數(shù)據(jù)中的最低值。由于篇幅所限，本文沒有給出所有的計算數(shù)據(jù)，而是僅給出了部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這并不影響對整個仿真計算結(jié)果規(guī)律的理解。

表2　半波壁結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率仿真計算結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖6　半波壁結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率計算曲線

從計算結(jié)果可以看出以下規(guī)律：(1)天線口徑尺寸對傳輸效率最小值和平均值的影響均較小。如果在單個俯仰角下進(jìn)行比較，則三部試驗天線所對應(yīng)的傳輸效率平均值之間的最大差值為0.5%，傳輸效率最小值相差0.5%。(2)天線口徑尺寸對小掃描角下的傳輸效率影響較大，對±15°以外掃描角下的傳輸效率影響較小。當(dāng)天線的方位掃描角和俯仰掃描角均在±15°范圍內(nèi)時，雷達(dá)罩的頭部區(qū)域是天線的主工作區(qū)域，此時，天線口徑尺寸的變化對傳輸效率有較大影響，而當(dāng)天線掃描角大于±15°時，天線口徑尺寸的變化對傳輸效率的影響則較小。(3)試驗天線1對應(yīng)的傳輸效率曲線起伏相對比較平緩，而試驗天線2和試驗天線3對應(yīng)的傳輸效率曲線起伏相對大一些。

根據(jù)式(1)可以定性理解以上差異，當(dāng)每個試驗天線照射到天線罩上時，都有一個照射區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)每個單元面積的復(fù)傳輸系數(shù)都對天線罩的傳輸效率有貢獻(xiàn)。試驗天線的口徑越大，所對應(yīng)的透波區(qū)也越大，影響天線罩傳輸效率的單元面積越多，則在該區(qū)域內(nèi)復(fù)傳輸系數(shù)的變化范圍也越大，總的矢量疊加的結(jié)果會體現(xiàn)權(quán)重最大的復(fù)傳輸系數(shù)的影響，而很難體現(xiàn)個別單元的特殊影響。通俗地說，試驗天線的口徑越大，天線罩的外形對傳輸效率的影響就越小；反之，則越大。因此，就出現(xiàn)了試驗天線口徑越大，傳輸效率的變化就越平緩，試驗天線口徑越小，傳輸效率的變化就越劇烈的現(xiàn)象。變化平緩的，其平均值與最小值的差距就小，變化劇烈的，其平均值與最小值的差距就大。

1.4.2夾層結(jié)構(gòu)的傳輸效率

以同樣的仿真計算方法，對圖1所示雷達(dá)罩夾層結(jié)構(gòu)狀態(tài)的傳輸效率進(jìn)行了仿真計算。罩內(nèi)天線仍然按照三種口徑進(jìn)行計算，分別為試驗天線1、試驗天線2和試驗天線3，頻率為f0，俯仰掃描角為參變量，方位掃描角為-60°～40°，每間隔1°為一個采樣點，共有1000多個傳輸效率數(shù)據(jù)。仿真計算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果見表3，部分典型曲線如圖7所示。表3中的每一行代表該俯仰角下所對應(yīng)的一條傳輸效率曲線的統(tǒng)計結(jié)果，傳輸效率平均值是指該俯仰角下100余個傳輸效率數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，傳輸效率最小值則是指各俯仰角的傳輸效率數(shù)據(jù)中的最低值。由于篇幅所限，本文沒有給出所有的計算數(shù)據(jù)，而是僅給出了部分統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這并不影響對整個仿真計算結(jié)果規(guī)律的理解。

表3　夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率仿真計算結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖7　夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率計算曲線

對于夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩的計算結(jié)果有以下規(guī)律：(1)天線口徑尺寸對傳輸效率最小值和平均值的影響均較小。如果在單個俯仰角下進(jìn)行比較，則三部試驗天線所對應(yīng)的傳輸效率平均值之間的最大差值為0.5%，傳輸效率最小值相差0.5%。(2)天線口徑尺寸對小掃描角下的傳輸效率影響較大，對±15°以外掃描角下的傳輸效率影響較小。當(dāng)天線的方位掃描角和俯仰掃描角均在±15°范圍內(nèi)時，雷達(dá)罩的頭部區(qū)域是天線的主工作區(qū)域，此時天線口徑尺寸的變化對傳輸效率有較大影響，而當(dāng)天線掃描角大于±15°時，天線口徑尺寸的變化對傳輸效率的影響則較小。(3)試驗天線1對應(yīng)的傳輸效率曲線起伏相對比較平緩，而試驗天線2和試驗天線3對應(yīng)的傳輸效率曲線起伏相對大一些。

2不同試驗天線的對比測試

雷達(dá)罩電性能測試過程中，最理想的情況是用裝機天線或與裝機天線等效的天線作為試驗天線，如果用其他天線作為試驗天線可能會帶來一定的測試誤差。對于工程問題而言，合理的測試誤差是可以接受的。為了解決在某些特殊情況下，既沒有裝機天線，也沒有等效天線時雷達(dá)罩的電性能測試問題，可能不得不采用與裝機天線不等效的天線。采用非等效天線的前提是由此帶來的雷達(dá)罩電性能測試誤差在可接受的范圍內(nèi)。上一節(jié)對采用不同試驗天線所產(chǎn)生的對傳輸效率影響進(jìn)行了仿真計算。從計算結(jié)果來看，試驗天線口徑尺寸對傳輸效率計算結(jié)果的影響較小。為了掌握實際測試過程中試驗天線口徑尺寸對傳輸效率的影響程度，規(guī)劃了一個對比試驗。對比試驗所用雷達(dá)罩為實芯半波壁結(jié)構(gòu)，試驗天線為第一章仿真計算所用的試驗天線1和試驗天線2，即試驗天線1是Ф900 mm的平板裂縫天線，試驗天線2是Ф580 mm的平板裂縫天線。兩個天線有相同的工作頻段。

對比試驗所用測試系統(tǒng)是緊縮場雷達(dá)罩電性能測試系統(tǒng)。緊縮場的靜區(qū)尺寸為3.7 m×3.7 m，靜區(qū)內(nèi)幅度不平度≤1.0 dB，相位變化≤10°。測試系統(tǒng)的主要儀器有掃頻信號源、微波接收機、混頻器等。緊縮場雷達(dá)罩電性能測試系統(tǒng)的精度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

對比試驗的測試項目是雷達(dá)罩的傳輸效率，測試頻率為點頻f0。傳輸效率采用動態(tài)電軸跟蹤法測試，測試過程中以俯仰掃描角為參變量，方位掃描角連續(xù)變化。俯仰掃描角間隔與仿真計算的間隔相同，方位掃描角范圍及間隔與仿真計算的相同，因此，數(shù)據(jù)采樣點與仿真計算的數(shù)據(jù)采樣點完全相同。試驗結(jié)果見表4。從所有的測試數(shù)據(jù)和曲線可以看出，在15°以內(nèi)的傳輸效率，采用試驗天線2的結(jié)果比采用試驗天線1的結(jié)果差，最小值偏差1.0%。在大于15°范圍內(nèi)，兩種天線的測試數(shù)據(jù)一致性比較好，偏差一般小于0.5%。圖8則給出了部分測試曲線。

從測試結(jié)果可以得到以下結(jié)論：雷達(dá)罩傳輸效率對比試驗的規(guī)律與仿真計算的規(guī)律相同；兩個試驗天線所對應(yīng)的傳輸效率測試數(shù)據(jù)的差值與仿真計算結(jié)果的差值相近。對比試驗證明了仿真計算的正確性，也證明了可以用非等效天線測試?yán)走_(dá)罩的傳輸效率。

表4　傳輸效率測試結(jié)果對照表

圖8　傳輸效率測試曲線

3結(jié)束語

雷達(dá)罩傳輸效率對比試驗和仿真計算的結(jié)果表明：(1)對比試驗的結(jié)果和仿真計算的結(jié)果規(guī)律一致、數(shù)值接近；(2)采用不同的試驗天線進(jìn)行雷達(dá)罩傳輸效率測試時，對平均傳輸效率和最小傳輸效率的影響均較小，在允許的測試誤差范圍內(nèi)；(3)當(dāng)沒有裝機天線或與裝機天線等效的天線可用時，可以采用其它天線來代替裝機天線進(jìn)行雷達(dá)罩傳輸效率測試。替代天線的類型、極化方式、工作頻率以及天線的安裝位置應(yīng)與裝機天線一致，天線尺寸應(yīng)與裝機天線盡可能相近。

試驗天線口徑尺寸對雷達(dá)罩其它性能參數(shù)的影響可以采用同樣的方法進(jìn)行仿真計算和對比測試，本文不再贅述。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張祖稷，金林，束咸榮. 雷達(dá)天線技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007：377-378.

ZHANG Zuji, JIN Lin, SHU Xianrong. Radar antenna technology[M]. Beijing：Electronics Industry Press，2007：377-378.

[2]杜耀惟. 天線罩電信設(shè)計方法[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1993： 380-388.

DU Yaowei. Design method of antenna cover telecommunication[M]. Beijing：National Defence Industry Press, 1993: 380-388.

[3]何國瑜，盧才成，洪家才，等. 電磁散射的計算和測量[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2006: 192-204.

HE Guoyu, LU Caicheng, HONG Jiacai，et al. Calculation and measurement of electromagnetic scattering[M]. Beijing：Beihang University Press, 2006: 192-204.

[4]阮穎錚. 雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1998: 67-69.

RUAN Yingzheng. Radar cross section and stealth technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press,1998: 67-69.

[5]郭東明，張春波，盛賢君, 等. 口徑/譜域積分-表面積分法的研究[J]. 電子學(xué)報，2008,36(9)：1750-1754.

GUO Dongming，ZHANG Chunbo, SHENG Xianjun, et al. Study on the aperture integration/spectrum area integration-surface integration method[J]. Acta Electronica Sinica，2008, 36(9)：1750-1754.

[6]張玉英，侯新宇，崔堯, 等. 基于某型吊艙天線罩的電性能分析與設(shè)計[J]. 微波學(xué)報，2007,23(8)：31-34.

ZHANG Yuying，HOU Xinyu, CUI Yao, et al. Electrical analysis and design on some type cabin radome[J]. Journal of Microwaves，2007,23(8)：31-34.

[7]張開信. 運用射線跟蹤技術(shù)計算天線罩對天線輻射性能的影響[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，1992(2)：90-97.

ZHANG Kaixin. Calculation of the effect of the radon on antenna radiation with the radial tracing technique[J]. Modern Radar，1992(2)：90-97.

[8]劉曉春，許群. 復(fù)合材料功能部件的電性能設(shè)計[J]. 工程塑料應(yīng)用，1995,23(3)：22-25.

LIU Xiaochun, XU Qun. Design of the electrical performance for composite functional units[J]. Engineering Plastics Application，1995,23(3)：22-25.

Influence and Analysis of Test Antenna on Radome Transmission Efficiency

WANG Yunxiang，XU Qun，LIU Shangji，QIAO Chengxiao

(Key Lab of High Performance Electromagnetic Window for

Avaition Science and Technology,Jinan 250031, China)

Abstract：During test for radome electrical performance,test antenna is needed. The type,polarization and aperture size of test antenna have certain influence on radome electrical performance. Completed a simulation calculation of influence degree on radome electrical performance caused by test antenna aperture size, verified by contrast test.Calculation and test results show that the test antenna aperture size has little influence on radome transmission efficiency as the difference between test antenna and airborne antenna is little. In engineering practice ,when there is not airborne antenna,we can use anthother antenna which has the same type,same polarization and similar size to airborne antenna to test transmission efficiency.

Key words：radome; transmission efficiency; test; test antenna

DOI：·收/發(fā)技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.015

收稿日期：2015-07-20

修訂日期：2015-09-18

通信作者：許群Email：xuqunjn@126.com

中圖分類號：TN821+.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0065-05