機(jī)載雷達(dá)天線罩機(jī)械損傷對(duì)電性能影響仿真

李寶鵬 李進(jìn)杰 高偉亮 趙智品

摘 ?要： 機(jī)載雷達(dá)罩使用過(guò)程中容易造成機(jī)械損傷，可能會(huì)對(duì)其電性能發(fā)揮產(chǎn)生影響。文中分析了雷達(dá)罩常見(jiàn)的機(jī)械損傷類型及成因，介紹了雷達(dá)罩常見(jiàn)電性能參數(shù)，建立了雷達(dá)罩蒙皮脫落與線性劃傷模型，利用電磁仿真法對(duì)不同蒙皮脫落半徑和線性劃傷長(zhǎng)度雷達(dá)罩的透波率、天線增益、天線方向圖等參數(shù)變化進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，相對(duì)于雷達(dá)罩實(shí)地測(cè)試法，所提方法經(jīng)濟(jì)實(shí)用，天線罩損傷模型有效可行，仿真結(jié)論對(duì)雷達(dá)罩機(jī)械損傷對(duì)電性能影響評(píng)估具有重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)天線罩; 電性能; 機(jī)械損傷; 透波率; 蒙皮脫落; 線性劃傷仿真

中圖分類號(hào)： TN95?34; TB332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）11?0125?05

Abstract： The mechanical damage generated in the use process of airborne radome may affect the electrical characteristic of radome. The common types and causes of the mechanical damage of the radome are analyzed. The common electrical performance parameters of the radome are introduced. The radome skin shedding model and linear scratching model are established. The electromagnetic simulation method is used to simulate and analyze the parameters such as wave penetration rate， antenna gain and antenna pattern of radome with different skin shedding radius and linear scratched length. The results show that， relative to the field of radome test method， this method is economical and practical， the radome damage model is effective and feasible， and the simulation conclusions have important theoretical guiding significance for the impact assessment of the radome′s mechanical damage to the electrical performance.

Keywords： radome; electrical characteristic; mechanical damage; wave penetration rate; skin shedding; linear scatched simulation

0 ?引 ?言

機(jī)載雷達(dá)天線罩（又稱機(jī)載雷達(dá)罩）是一種重要的飛機(jī)功能結(jié)構(gòu)部件，它與機(jī)身合為一體承受氣動(dòng)載荷與慣性載荷，使飛機(jī)保持良好的空氣動(dòng)力性能，一方面，作為雷達(dá)天線的物理防護(hù)罩保護(hù)雷達(dá)天線免受不利環(huán)境因素的損壞，另一方面它又是雷達(dá)波束的“電磁明窗”，使雷達(dá)天線系統(tǒng)發(fā)揮理想的電性能。機(jī)載雷達(dá)罩由于特殊的使用環(huán)境，難免會(huì)受到?jīng)_擊、侵蝕，產(chǎn)生開(kāi)裂、分層、穿孔等機(jī)械損傷，雷達(dá)罩的機(jī)械損傷不僅會(huì)影響罩體的機(jī)械強(qiáng)度，影響載體的飛行安全，還可能會(huì)造成雷達(dá)探測(cè)能力的下降，從而影響雷達(dá)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

目前，雷達(dá)罩機(jī)械損傷后對(duì)電性能影響評(píng)估缺少技術(shù)指導(dǎo)，沒(méi)有相關(guān)規(guī)程、規(guī)定和相應(yīng)措施、手段。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文開(kāi)展雷達(dá)機(jī)械損傷對(duì)電性能影響進(jìn)行仿真評(píng)估研究，分析常見(jiàn)機(jī)械損傷對(duì)雷達(dá)罩電性能影響的程度，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)罩全壽命期內(nèi)的狀態(tài)跟蹤檢查和維修指導(dǎo)，這對(duì)保持雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)性能發(fā)揮、延長(zhǎng)雷達(dá)系統(tǒng)使用壽命，提高工作可靠性，降低其使用期間維修費(fèi)用以及保證飛行安全等具有十分重要的意義。

1 ?雷達(dá)罩常見(jiàn)機(jī)械損傷

機(jī)載雷達(dá)罩常采用蜂窩式A夾層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層和第三層一般為樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，第二層為泡沫類或蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，各層膠合在一起[1]。飛機(jī)在高低空飛行和地面停放過(guò)程中，常會(huì)受到自然環(huán)境因素和人為因素帶來(lái)的不利侵害，如雨蝕、沖擊損傷、靜電燒蝕、人為撞擊等，這些侵害會(huì)造成雷達(dá)罩機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷。

1.1 ?雨水侵蝕

飛機(jī)在高空飛行時(shí)通常伴隨著冰、雨的襲擊，高速的雨滴沖刷將嚴(yán)重侵蝕防雨蝕系統(tǒng)，日積月累水分便進(jìn)入天線罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引起雷達(dá)波的畸變;同時(shí)，水分在天線罩內(nèi)部因結(jié)冰而膨脹，致使天線罩內(nèi)部的復(fù)合材料積水面積增大，結(jié)構(gòu)脫層、脫膠，嚴(yán)重降低天線罩的透波率，從而影響內(nèi)部天線的正常工作[2?3]。

圖1 ?蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 ?沖擊侵害

由于冰雹、鳥(niǎo)擊等因素以及日常維護(hù)中的車輛、梯子等地面雷達(dá)設(shè)備與天線罩發(fā)生碰撞，導(dǎo)致天線罩的硬性損傷，有時(shí)即使很輕微的碰撞也有可能導(dǎo)致肉眼看不清的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，使天線罩出現(xiàn)分層、脫膠等現(xiàn)象。

1.3 ?雷擊侵害

在惡劣的氣象條件下，當(dāng)雷達(dá)罩遭受了更大的雷電沖擊，電流來(lái)不及傳導(dǎo)出去，就會(huì)在雷達(dá)罩的內(nèi)部迅速膨脹，造成雷達(dá)罩脫層、脫膠，甚至起泡，雷電也會(huì)偶爾擊中沒(méi)有安裝防雷擊條的部位。

1.4 ?靜電燒蝕

飛機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)中與干燥的空氣相摩擦，會(huì)產(chǎn)生大量的電荷，當(dāng)電荷累積到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生靜電放電燒蝕雷達(dá)罩的表面。靜電燒蝕經(jīng)常表現(xiàn)在雷達(dá)罩周圍有黑色的斑點(diǎn)。靜電燒蝕不會(huì)造成雷達(dá)罩的立刻損傷，但長(zhǎng)時(shí)間以后會(huì)侵蝕雷達(dá)罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

以上侵害對(duì)雷達(dá)罩造成的機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷主要有蒙皮脫落、罩體穿透、表面線性劃傷（傷及芯層）、蒙皮與芯層的分層四種。這些機(jī)械損傷改變了雷達(dá)罩體的結(jié)構(gòu)，因此會(huì)增加電磁波傳輸損耗，改變雷達(dá)罩介電常數(shù)和原來(lái)電磁波的指向偏移路徑，進(jìn)而會(huì)影響雷達(dá)罩的電性能[4?5]。

2 ?雷達(dá)罩電性能分析方法

2.1 ?雷達(dá)罩電性能參數(shù)

2.1.1 ?瞄準(zhǔn)誤差

電磁波透過(guò)雷達(dá)罩時(shí)天線主波束偏移天線瞄準(zhǔn)軸線方向一定的角度，這個(gè)方向偏移稱為瞄準(zhǔn)誤差[6]，如圖2所示為瞄準(zhǔn)誤差的產(chǎn)生示意圖。天線輻射的電磁波透過(guò)雷達(dá)罩時(shí)，經(jīng)歷了空氣?介質(zhì)?空氣二種介質(zhì)構(gòu)成的傳播路徑。由于電磁波在多層介質(zhì)中傳播，則在介質(zhì)分界面處必然發(fā)生反射和折射，尤其是當(dāng)雷達(dá)罩出現(xiàn)機(jī)械損傷時(shí)會(huì)使得不同部位引起的電磁波的相位延遲不同，從而改變電磁波的等相位面，使得帶罩天線的主向（電軸方向）發(fā)生偏移，波瓣發(fā)生畸變，即天線波束產(chǎn)生瞄準(zhǔn)誤差。

圖2 ?瞄準(zhǔn)誤差產(chǎn)生示意圖

2.1.2 ?透波率

透波率是指電磁波透過(guò)天線罩在電場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的最大場(chǎng)強(qiáng)值[E1]的平方與透過(guò)沒(méi)有天線罩時(shí)在電場(chǎng)遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的最大場(chǎng)強(qiáng)值[E2]的平方之比：

可見(jiàn)，損耗和反射是降低雷達(dá)罩透波率的主要原因。介電常數(shù)[ε]越大，則電磁波在空氣與介質(zhì)罩壁分界面上的反射（即[R2]）就越大，這將增加鏡像波瓣電平并降低傳輸效率;損耗角正切[tan δ]越大，電磁波能量在透過(guò)雷達(dá)罩過(guò)程中轉(zhuǎn)化為熱量而損耗掉的能量就越多。

2.1.3 ?天線方向圖失真情況

天線方向圖是表征天線輻射特性的重要參考，常用的有三維方向圖和平面方向圖。天線罩系統(tǒng)對(duì)罩內(nèi)天線方向圖的影響反映了其整體性能，通過(guò)加罩前后方向圖的失真情況可以得到天線罩對(duì)罩內(nèi)天線各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響程度。在實(shí)際測(cè)量中，天線方向圖可以細(xì)化為主瓣和主瓣寬度、副瓣電平、零深電平等指標(biāo)變化[7]，如圖3所示。

圖3 ?天線方向圖及參數(shù)

2.2 ?雷達(dá)罩電性能分析方法

雷達(dá)罩電性能測(cè)試方法通常有兩種：一種是旋轉(zhuǎn)天線測(cè)試法;另一種是電磁全波軟件仿真法。旋轉(zhuǎn)天線測(cè)試法主要包括搜零法、電子定標(biāo)法、動(dòng)態(tài)電軸跟蹤法。該類方法在有效控制收發(fā)天線與雷達(dá)罩的相對(duì)位置前提下，通過(guò)搭建由信號(hào)發(fā)射模塊、天線控制模塊、控制處理部分組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際參數(shù)測(cè)試。旋轉(zhuǎn)天線測(cè)試法投入設(shè)備復(fù)雜、成本高，同時(shí)存在定標(biāo)曲線擬合有誤差、接收天線尋零控制困難、測(cè)試范圍角度受限等缺點(diǎn)[8?9]。

電磁全波軟件仿真法市場(chǎng)上已具有應(yīng)用較為成熟的商業(yè)軟件，如FEKO、HFSS、CST等，軟件內(nèi)部電磁仿真參數(shù)設(shè)置樣式豐富，并融合了時(shí)域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）、有限積分法（FIT）等電磁仿真算法，具備仿真結(jié)果精確，應(yīng)用范圍廣、成本投入低的特點(diǎn)[10]。CST Microwave Studio（CST MWS）是基于有限積分方法編成的經(jīng)典軟件[7]，考慮到CST成本低、技術(shù)成熟，本文采用CST中的時(shí)域算法對(duì)天線罩進(jìn)行計(jì)算仿真，它對(duì)天線罩進(jìn)行全波仿真時(shí)，在一些曲率比較小的地方可以進(jìn)行自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分，并對(duì)電小尺寸的地方進(jìn)行網(wǎng)格的自適應(yīng)加密。同時(shí)，CST集成了時(shí)域求解器，只需要一次計(jì)算就能得到整個(gè)寬帶特性。

3 ?仿真結(jié)果與分析

3.1 ?天線及天線罩建模

天線罩損傷仿真研究需要對(duì)大量的不同模型進(jìn)行仿真，如果對(duì)實(shí)際的天線罩進(jìn)行建模并仿真，不僅需要非常高的計(jì)算資源條件，而且需要花費(fèi)大量的仿真時(shí)間。天線罩屬于超大電尺寸物體，曲率半徑比天線口徑的線度大，罩壁和天線間距通常在[λ2π～2D2λ]之間[9，11]（[λ]為電磁波波長(zhǎng)，[D]為天線口徑寬度），既罩壁處于天線的輻射近區(qū)場(chǎng)內(nèi)，所以可以將天線罩等效成平板天線罩，通過(guò)對(duì)平板天線罩進(jìn)行仿真來(lái)研究損傷對(duì)天線罩電性能的影響。

激勵(lì)采用工作在X波段的喇叭天線，平板天線罩剖分的網(wǎng)格大小為[110]波長(zhǎng)，仿真的精度為-30 dB。平板天線罩采用傳統(tǒng)的A夾層結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)大小為500 mm×500 mm，總厚度為7.6 mm。天線罩結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，蒙皮采用石英氰酸酯材料，芯層采用蜂窩結(jié)構(gòu)材料。圖4為天線罩仿真模型。雷達(dá)電磁波仿真頻段設(shè)置為8～12 GHz。

表1 ?天線罩結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 ?天線罩仿真模型

通過(guò)仿真可以得到喇叭天線的增益為15.18 dBi， -3 dB波束寬度為29.1°，副瓣電平為-20.5 dB。下面分別對(duì)不同的機(jī)械損傷對(duì)天線罩電性能的影響進(jìn)行仿真，提取出中心頻率在[f0=]9.6 GHz處的電性能參數(shù)進(jìn)行比較并總結(jié)。

3.2 ?蒙皮脫落損傷仿真

天線罩在工作過(guò)程中，隨著外界環(huán)境的侵蝕以及使用年限的增加，會(huì)造成罩體表面蒙皮的脫落。構(gòu)建蒙皮脫落的模型如圖5所示，蒙皮脫落為外蒙皮脫落，脫落形狀為圓形，脫落區(qū)域在平板天線罩的中心區(qū)域。在CST軟件中仿真不同面積蒙皮區(qū)域脫落時(shí)，天線透過(guò)罩體后透波率、天線方向圖等參數(shù)的變化。

圖5 ?蒙皮脫落模型

圖6，圖7為天線罩無(wú)損傷和蒙皮脫落半徑為40 mm時(shí)的三維方向圖，圖8為天線罩無(wú)損傷與蒙皮脫落半徑為40 mm時(shí)二維方向圖比較，圖9為在中心頻率[f0]=9.6 GHz處天線罩透波率隨蒙皮脫落面積大小的變化曲線。

綜合分析圖6～圖9，將相關(guān)參數(shù)變化記錄在表2，可以得出以下結(jié)論：

1） 隨著蒙皮脫落半徑的增大，天線罩透波率會(huì)先出現(xiàn)一定的減小，然后再增大，并且從仿真結(jié)果可以計(jì)算出透波率最多減小大約20%。

圖6 ?天線罩無(wú)損傷天線方向圖

圖7 ?蒙皮脫落半徑為40 mm時(shí)方向圖

圖8 ?無(wú)損傷天線罩與蒙皮脫落半徑為40 mm時(shí)天線方向圖的比較

圖9 ?透波率隨蒙皮脫落面積大小變化關(guān)系

2） 透波率的減小和天線的口徑大小相關(guān)，當(dāng)蒙皮脫落的面積和天線的口徑面積相比擬時(shí)，對(duì)透波率的影響最大。

3） 透波率的減小是因?yàn)檫@時(shí)天線的-3 dB波束展寬了，當(dāng)蒙皮的脫落半徑為40 mm時(shí)，透波率大約減小20%，但是這時(shí)的-3 dB波束寬度大約增加11%，從圖7和圖8也可以看到這時(shí)的波束寬度有一定增加。

4） 從實(shí)際的情況考慮，當(dāng)天線罩出現(xiàn)較大的蒙皮脫落肯定會(huì)拋棄使用，因?yàn)檫@時(shí)的力學(xué)性能會(huì)達(dá)不到使用要求，所以當(dāng)只出現(xiàn)很小面積的蒙皮脫落時(shí)，對(duì)透波率的變化影響不大。

表2 ?天線電參數(shù)隨損傷大小變化

3.3 ?線性劃傷損傷仿真

天線罩在維護(hù)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)人為的劃傷（傷及芯層）。為了研究這種損傷（傷及芯層）對(duì)天線罩電性能的影響，通過(guò)在CST軟件中仿真天線罩在不同劃傷長(zhǎng)度下的電性能。劃傷的寬度設(shè)置為4 mm，芯層的總厚度為5.6 mm，劃傷芯層的厚度為5 mm。圖10為天線罩線性劃傷仿真模型俯視圖，圖11為天線罩線性劃傷仿真模型側(cè)視圖，圖12為不同劃傷長(zhǎng)度時(shí)的天線二維方向圖，表3為天線電性能參數(shù)隨劃傷長(zhǎng)度的變化，圖13為在中心頻率[f0=]9.6 GHz處天線罩透波率隨損傷大小的變化曲線。

圖10 ?線性劃傷仿真俯視圖

可見(jiàn)，線性劃傷（傷及芯層）對(duì)天線罩透波率基本沒(méi)有影響，從圖12也可以看出，在不同的劃傷長(zhǎng)度下，天線的方向圖基本重合在一起，即天線的-3 dB波束寬度、副瓣電平以及天線的增益等電性能基本不變，所以這種類型的損傷對(duì)天線罩電性能基本沒(méi)有影響。

圖11 ?線性劃傷仿真?zhèn)纫晥D

表3 ?天線電性能參數(shù)隨天線罩劃傷長(zhǎng)度的變化

圖12 ?天線罩不同劃傷長(zhǎng)度下的天線方向圖

圖13 ?透波率隨天線罩劃傷長(zhǎng)度的變化關(guān)系

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

雷達(dá)罩機(jī)械損傷除了會(huì)影響飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)力性能外，還會(huì)造成電性能的下降。當(dāng)雷達(dá)罩蒙皮脫層半徑超過(guò)40 mm時(shí)，會(huì)帶來(lái)透波率明顯下降，而線性劃傷（傷及芯層）相對(duì)其他損傷對(duì)雷達(dá)罩電性能影響較小。在雷達(dá)罩日常維護(hù)中應(yīng)當(dāng)及時(shí)處理蒙皮脫落、穿孔、劃傷等損傷，以免造成水汽進(jìn)入罩體帶來(lái)更大程度的侵害?；陔妶?chǎng)仿真方法對(duì)天線罩進(jìn)行電性能仿真，相對(duì)于天線測(cè)試法經(jīng)濟(jì)成本低，實(shí)用范圍廣，對(duì)雷達(dá)罩的使用維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義，當(dāng)雷達(dá)罩電性能下降時(shí)，可以從機(jī)械損傷的角度排查故障原因。

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