一種C型夾層雷達天線罩損傷后修補區域電性能計算方法

蔡承文，趙永鵬，李偉林

(1.南京工業職業技術學院，江蘇 南京 210000 ；2.大連長豐實業總公司，遼寧 大連 116000)

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一種C型夾層雷達天線罩損傷后修補區域電性能計算方法

蔡承文1，趙永鵬2，李偉林2

(1.南京工業職業技術學院，江蘇 南京 210000 ；2.大連長豐實業總公司，遼寧 大連 116000)

通過對某型飛機C夾層雷達天線罩分層損傷進行修復，對修復區域的電性能影響進行研究，通過理論計算修補區域電性能，論證修補工藝對雷達天線罩電性能的影響再誤差范圍內。試驗測試修補區域電性能進行驗證，以論證計算的正確性、工藝的可行性。通過試驗表明，計算雷達天線罩修補區域的點厚度來保證雷達天線罩電性能的方法是可行的。

C夾層；雷達天線罩；修補；點厚度

雷達天線罩在軍用飛機、民航飛機、導彈等飛行器上廣泛使用，特別是C型蜂窩夾層雷達天線罩，由于其可以抵消單夾層結構的多余反射，在飛行器上使用更為廣泛。隨著飛行器飛行小時的增加，在使用中的外力沖擊、濕熱環境以及制造缺陷，都會造成雷達天線罩玻璃纖維層與蜂窩層之間產生分層損傷，影響雷達天線罩的強度及電性能。而在常規修理過程中，由于原始材料已使用新材料代替，或原國外材料采用國產化替代，往往導致修補材料的電性能符合性無法保證。采用修補后測量的方法，浪費人力物力，而且會對罩體造成二次損傷。劉瑩給出了多層介質天線罩的數值分析方法[1]。通過對雷達天線罩的修補區域電厚度、插入相位誤差的計算，來初步論證修補區域電性能的符合性。修補完成后，對雷達天線罩進行電性能檢測，驗證推算方法的正確性。

1 修補區域電性能推算方法

電厚度又稱傳輸誤差，是指電磁波在通過均勻介質時，介質的幾何厚度、相對介電常數、入射角等對電磁波在介質中傳播所產生的綜合影響。根據對某型飛機雷達罩修補前后的電厚度進行計算，可理論上確定修補工藝對雷達罩電性能的影響，進而論證雷達罩修補工藝的可行性。

圖1 C夾層結構網絡級聯圖

(1)

其中，各元素通式為：

(2)

(3)

式(3)反映了在雷達罩介質介電常數、法向幾何厚度、入射角、損耗角正切值等的影響下的電磁波傳輸特性，即為電厚度[2]。即：

(4)

式(4)，ψ為電厚度或波透過介質的程差因子，θ0為電磁波入射角，λ0為電磁波波長，h為雷達天線罩幾何厚度，εr為介質相對介電常數。ψ也就是電磁波通過厚度為h的介質所產生的相位延遲。當介質為空氣時，εr=1，則：

因此，由雷達天線罩壁產生的插入相位誤差為：

(5)

式(5)即為雷達天線罩產生的插入相位誤差(IPD)。

如果復合材料是均勻和各項同性的，復合材料的相對介電常數、損耗角正切值與組份的相對介電常數、損耗角正切值得關系如下[3]：

(6)

(7)

以上兩式中，εm為混合材料的相對介電常數；εR為樹脂的相對介電常數；εF為增強纖維的相對介電常數；VR為樹脂的體積；VF為增強纖維的體積；tanδm為混合材料的損耗角正切值；tanδR為樹脂的損耗角正切值；tanδF為增強纖維的損耗角正切值。

C夾層結構雷天線罩修理后自內蒙皮至蜂窩夾層結構依次為三層SW-220A/3218預浸料，其性能指標見表1。原某型飛機雷達天線罩自內蒙皮至蜂窩夾層結構為三層SW-220A/5222預浸料，其性能指標見表2。蜂窩夾層結構的介電常數及損耗角正切值分別為1.052、2.2×10-3。從圖1可以看出，C型夾層結構雷達天線罩修補區域僅限于內蒙皮及第一層C夾層之間，因此，僅對修補區域修理前、后的混合介電常數及損耗角正切值進行計算。

表1 SW-220A/3218預浸料介電常數及損耗角正切值

表2 SW-220A/5222預浸料介電常數及損耗角正切值

根據式(6)(7)，將表1、表2數值帶入，可計算出維修前雷達天線罩混合材料的介電常數及損耗角正切值(在計算時，各層的體積可用厚度替代，其中，預浸料厚度為0.3mm，蜂窩夾層厚度為6.6mm)分別εm前≈1.2468、tanδm前≈0.00283；修理后雷達天線罩混合材料的介電常數及損耗角正切值分別為εm后≈1.2475、tanδm后=0.00287。分別令εr=εm前、εr=εm后并代入(4)、(5)式，即可得到雷達天線罩修補前后的電厚度及插入相位延遲(中心頻率選擇為9.375GHz)，sinθ0∈(0,1)。

分別以0.05弧度為θ0的分度，畫出ψ前、ψ后的函數圖像，見圖2、圖3(由于兩函數圖像的相似度高，采用三維曲線)。從圖2、圖3中可以看出，雷達天線罩修補前后的電厚度和插入相位誤差值均相差不大，幾乎沒有誤差。因此，可以確定修理方法的可行性。

根據式(4)(5)可以看出，當材料固定，即介電常數εr不變；雷達波掃描角度固定，即θ0不變時，雷達罩的電厚度及插入相位誤差，僅與雷達天線罩的物理厚度h有關。這為雷達天線罩修復后進行電性能矯正提供了方法，即可通過增加或減小修補區物理厚度的方法來保證電性能能符合要求，事實上，雷達天線罩的電厚度及插入相位誤差對雷達罩物理厚度較為敏感，在工程中進行電性能修正，采用砂紙打磨的辦法進行矯正，以表達雷達天線罩修補區域的電性能。

圖2 修理前、后電厚度曲線

圖3 修理前、后插入相位誤差曲線

2 修復區域電性能檢測

通過修補區域電性能推算方法，可初步判定雷達罩電性能符合要求。同時，根據該雷達天線罩特定損傷模式，制定簡單的電性能的檢測方法，即可驗證雷達天線罩電性能的特性。

雷達罩電性能測試手段較多，文獻[4]給出了介質損耗的測量方法，文獻[5]給出了測試系統機械結構的設計。本次測量根據雷達天線罩損傷情況，雷達天線罩按軸線旋轉一周，覆蓋修理區域未修理區域。因此，測試采用對比法，旋轉一周均勻選取72個測試點，發射天線、接收天線4m選取80個均勻測試點，記錄各點旋臺旋轉高度、發射天線高度、接收天線高度、場強大小。對修補區域和未修補區域場強數值進行曲線擬合，對比場強曲線與，驗證修理工藝及雷達天線罩電性能符合性。

試驗在電波暗室下進行，頻率范圍在10KHz～18GHz范圍內，內置自動控制轉臺，微波接收天線(可移動)，微波接收機，微波信號源選用安捷倫微波信號源，功率為30dB，頻率范圍0～18GHz，根據該型雷達罩工作環境，選取9.375GHz工作頻率。選用不同發射功率，通過3次測試，測試結果通過曲線擬合，以驗證電性能符合性，見圖4～6。

圖4 20dB發射功率電性能測試結果

圖5 25dB發射功率電性能測試結果

圖6 30dB發射功率電性能測試結果

圖4～6中上虛線分別為該雷達天線罩未修補區域場強最大值和最小值，修補區域為72°～216°范圍內。不難看出，通過SW-280A/3218預浸料替代雷達天線罩原高溫固化環氧樹脂體系，電性能與雷達天線罩電性能一致，均勻性較好。較均勻是因為本次選用預浸料膠膜為已經涂好的雙面膠膜，其均勻性比人為刷膠均勻性更好。

3 結論

通過雷達天線罩修補區域的電厚度及插入相位誤差的計算，整罩電性能試驗，表面某型C夾層結構雷達天線罩分別層損傷后的修補工藝可行，同時，這種計算電性能方法可運用于雷達罩修復前材料的選擇。

[1] 劉瑩，謝擁軍.多層介質天線罩的數值分析[J].電波科學學報，2011，(3).

[2] 李高生，明永晉. 天線罩等效傳輸線理論及應用[J].通信技術，2014，(1).

[3] 張強.天線罩理論與設計方法[M].北京：國防工業出版社，2014.

[4] 李振興.天線罩介質損耗的精確測量[J].現代雷達，2002，(1).

[5] 彭思平， 趙立， 梅國平，等.導彈天線罩IPD單喇叭測量儀機械系統的研究與實現[J].航空精密制造技術，2010，(6).

[編校：楊 琴]

The Computing Method of Regional Electrical Properties for a Certain C-Sandwich Radome after Repairing damage

CAI Chengwen1,ZHAO Yongpeng2,LI Weilin2

1.NanjingInstituteofIndustryTechnology,NangjingJiangsu210000；2.DalianChangfengIndustrialCompany，DalianLiaoling116000)

Based on the result of repairing the delamination of C-sandwich radome of a certain type of aircraft, this paper studies the partial electrical properties after repairing damage. By calculating regional electrical properties, the authors have demonstrated that the repairing technology impacts electrical properties of radome within the error range. To prove the correctness of the algorithm and feasibility of the technology, the electrical properties of the radome were tested. The test shows that it is feasible to ensure the electrical properties of the radome by calculating the electrical thickness of the repaired radome.

C-sandwich; radome; repairing; electrical thickness

2015-07-01

蔡承文(1967- )，女，湖南吉首人，副教授,中級統計師,研究方向為應用數學、統計。

V243.2

A

1671-9654(2015)03-048-04