冰雪對大型陣列天線性能影響分析?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

大型陣列天線的雨、冰、雪防護一直是陣列天線設計中的難題,通常采用加裝整體罩、天線單元饋電處加裝防護罩等方法進行防護,同時采用相應的融冰雪措施[1]保證天線系統的性能。而整體天線罩和融冰雪裝置的啟用,必將大大增加陣列天線的制造成本和使用成本。為合理設計,減少不必要的花費,必須評估冰雪覆蓋對大型陣列天線性能的影響。

陣面裹冰積雪對雷達系統的不利影響主要表現在以下三個方面:(1)影響陣列天線的電性能指標;(2)增加對雷達陣面結構剛強度要求;(3)影響維護人員的操作安全。

我國幅員遼闊,不同區域的防護等級和惡劣氣候條件有所不同,在充分考慮到天線結構強度的前提下[3],通過分析冰雪覆蓋對天線性能的影響,綜合評判該影響對雷達系統性能影響[2]的程度,以便在雷達系統設計中采取合理的措施,優化系統設計。

1 電磁波在冰雪介質中的傳播特性

當天線陣面覆蓋冰積雪時,電磁波穿透冰、雪會導致電磁損耗的增加,而這種電磁損耗主要由電磁波在兩種不同媒質中的反射損耗和有耗媒質中的傳播損耗兩部分組成。

1.1 介質中電磁波的傳輸特性

根據平面電磁波理論可知,均勻有耗介質中的電場[4]可表示為

式中,α為電磁損耗因子,與電磁波頻率、介質材料的介電常數、電導率、磁導率以及材料極化損耗特性有關。

1.2 有耗媒質分界面的反射系數和傳輸系數

電磁波穿透不同介質時,會發生反射和折射現象,考慮均勻平面波,且假設介質分界面光滑平整,由于電磁波在分界面上具有連續性,因此當入射波為垂直極化波時,其反射波和折射波也是垂直極化波,同樣當入射波為平行極化波時,其反射波和折射波也同樣是平行極化波。設電磁波從介質1(介質的介電常數和磁導率為ε1,μ1)入射到介質2(介質的介電常數和磁導率為ε2,μ2),θi,θr,θt分別為入射角、反射角和透射角。

根據菲涅耳公式,對于垂直極化波,反射系數r⊥和傳輸系數t⊥[5-6]分別為

對于水平極化波,反射系數r∥和傳輸系數t∥分別為

式中,η1,η2為介質1,2的波阻抗,表示為

邊界面沿Z方向的功率反射系數R和功率傳輸系數T為

可見,兩種極化方式的能量流動均能滿足能量守恒R+T=1,介質的ε,μ差別越小,界面反射越低,進入介質2的能量越大;當垂直入射即θi=0時,垂直極化和平行極化的反射系數和透射系數對應相等。

當媒質1,2為理想介質時,透射角θt為實角,

對于平行極化波,當R=0,r∥=0時發生全透射,此時入射角θi為

此θi角稱為布儒斯特角,不論ε1,ε2的大小,都會發生全透射,而對于垂直極化波,不會發生全透射現象。當介質2為有耗媒質時,透射角θt為復角,其等振幅面和等相位面一般不再重合,當垂直入射時,θt=0等振幅面和等相位面仍重合。

2 冰雪覆蓋對天線電性能的影響

大型天線陣列在結構上可分為加裝整體天線罩結構和不加裝整體天線罩結構兩種結構方式。加裝整體天線罩的天線陣列表面覆蓋冰雪狀態與電磁波在多層有耗媒質中傳播模型相似,可通過有耗媒質分界面的反射系數和傳輸系數仿真計算,得到天線陣列口徑面電磁信號的幅度、相位分布情況,再與天線陣初始口徑幅度、相位分布相比較,最終得到表面覆蓋冰雪狀態下天線陣列電性能的變化值。不加整體天線罩時,冰雪直接覆蓋在天線單元和反射網表面,且裹冰、積雪模式復雜多變,難以通過電磁波在多層有耗媒質中傳播模型進行精確計算分析,因此,本文將天線陣面覆蓋的冰雪狀態等效為天線單元表面覆蓋冰雪和天線反射網表面覆蓋積雪兩個狀態分別進行討論,建立較為簡單的仿真模型。

2.1 分析模型

為防止天線單元饋電處短路,已假設單元饋電處用防護罩進行了防護。在天線陣面不加防護罩時,陣列天線表面覆蓋的冰雪可等效于天線單元的介質加載,導致天線振子等效電長度發生變化而影響天線振子的空間阻抗匹配;反射網表面覆蓋介質材料也可導致單元輻射振子與反射網之間距離的電長度變化,在影響天線單元阻抗匹配的同時,還可導致天線單元波束寬度發生變化,從而影響天線的輻射效率。

影響程度主要與冰雪的復介電常數、電導率、磁導率、工作頻率和天線冰雪厚度有關,而電磁傳播損耗主要受加載材料的損耗因子等因素影響,阻抗失配損耗主要由加載材料的介電常數決定。因此,在仿真分析中,只要根據天線系統工作環境的變化,將天線陣面可能的裹冰狀態進行分析,給出天線性能相應的變化范圍,以確定系統指標變化情況,為系統的使用提供決策。

2.2 介質參數提取

作為一種有耗介質材料,純凈的冰是一種電介質,其電磁傳播特性主要與冰介質的復介電常數相關,而復介電常數又與介質的溫度、冰的張馳頻率、工作頻率、相對電導率等因素有關[7],準確計算較為復雜,工程中常用以下公式計算冰的復介電常數

式中,實部ε′=3.2為冰的相對介電常數,σ=5.7×10-5為冰的相對電導率,c為光速,f為頻率。

冰的損耗角正切tan(δ)=ε″/ε′。電磁波在介質材料中的傳播波長為

考慮到實際環境中降雨和降雪中帶有一些塵埃或導電離子,實際電導率和損耗因子有一定增加。

從目前工程應用分析,自然條件下冰的相對介電常數為3.2,損耗角正切約為0.005,相對磁導率為0.9991。

3 設計舉例

為驗證裹冰和積雪對天線性能的影響機理,我們通過一個工作在米波段(50～75 MHz頻段)的20×20單元規模雙極化平面陣列天線設計,從天線陣面裹冰、積雪對天線單元有源阻抗影響以及天線增益變化兩個方面進行討論。給出相應的系統設計建議。天線陣列與天線單元結構形式如圖1所示。

圖1 天線陣列與天線單元結構示意圖

為了方便分析比較,天線單元裹冰狀態分為以下三種典型狀態進行分析:(1)天線單元輻射振子表面裹冰10 mm+反射網表面覆冰10 mm;(2)天線單元輻射振子表面裹冰20 mm+反射網表面覆冰20 mm;(3)天線單元輻射振子表面裹冰20 mm+反射網表面覆冰100 mm。

3.1 天線單元有源駐波仿真

我們采用電磁仿真軟件,對天線單元和陣面反射網在表面裹冰10 mm,20 mm以及反射網積雪100 mm三種狀態的有源阻抗匹配進行了仿真計算,圖2給出了不同裹冰狀態下天線單元在方位面典型掃描角的有源駐波變化曲線;圖3給出了不同裹冰狀態下天線單元在俯仰面典型掃描角的有源駐波變化曲線。

從有源駐波變化曲線分析,天線單元裹冰狀態會導致有源駐波的變化,直接影響系統損耗。當掃描小時,影響不大;隨著掃描角度的增大,阻抗失配越來越嚴重;天線單元阻抗失配程度與單元振子裹冰厚度關系成正比例關系。

圖2 不同裹冰狀態下天線單元在方位面典型掃描角的有源駐波

圖3 不同裹冰狀態下天線單元在俯仰面典型掃描角的有源駐波

3.2 天線增益仿真

通過對不同裹冰狀態下天線陣列的各掃描波束的增益進行了仿真計算,計算結果在圖4中給出。從圖4可知,天線單元振子表面裹冰厚度越大,大角度掃描的有源阻抗失配越大,天線增益損失越大。

從天線陣列掃描狀態波束增益仿真曲線分析,由于裹冰狀態導致的輻射振子與反射板距離的變化及損耗影響,導致天線單元波束增益發生變化,對于小角掃描陣列,天線增益變化小于0.5 dB,對于大角掃描狀態,天線增益最大變化為0.8 dB(高頻段約為1.2 dB)。

圖4 天線增益仿真計算(中頻)

3.3 仿真結果分析

通過上述仿真結果可知,由于天線陣面在不同裹冰、積雪狀態下電性能受影響程度是不同的,特別是波束天線增益和單元駐波系統損耗方面,且有較強的頻率響應規律,對其他電性能(天線陣列波束指向、副瓣電平、波束寬度)影響不大;從雷達系統角度分析,當裹冰厚度為20 mm、反射網表面覆冰100 mm時,在方位角±45°內探測距離最大縮減比例為5.59%,在方位角±60°內探測距離最大縮減比例約為10%;當裹冰厚度為10 mm、反射網表面覆冰10 mm時,在方位角±60°內探測距離最大縮減比例約為5%;滿足系統使用要求。不用專門加裝陣面除冰雪設備。

4 結束語

在大型天線陣列的研制、生產及使用過程中,只要保證天線陣面結構強度,同時根據裝備使用陣地的氣候特征,進行相應的技術仿真,給出不同氣象條件設備性能指標變化范圍,并根據不同氣候條件選用相應的應對策略(如改變工作頻點等),可最大限度保證設備的使用效率,同時可以省略復雜的陣面處冰雪設備,降低設備研制生產成本和使用成本,提高設備的效費比。

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