某型雷達(dá)天線罩的國(guó)產(chǎn)化

管 軍，秦建軍，時(shí) 劍

(解放軍94804 部隊(duì)，上海 200434)

雷達(dá)天線罩的作用是保護(hù)雷達(dá)天線，使其免受雨雪、冰雹、閃電及飛鳥等因素的侵害，避免了因氣候與環(huán)境原因造成的雷達(dá)性能下降，甚至關(guān)機(jī)，同時(shí)還可以緩解因氣溫驟降、太陽輻射、潮濕、鹽霧對(duì)天線系統(tǒng)的影響，因此也大大簡(jiǎn)化和減輕了天線系統(tǒng)的日常維護(hù)修理工作，延長(zhǎng)露天雷達(dá)的使用壽命。某型引進(jìn)雷達(dá)長(zhǎng)期在沿海濕熱多雨高鹽腐蝕環(huán)境中服役，因天線罩破損，導(dǎo)致天線內(nèi)部積水，雷達(dá)出現(xiàn)大量雜波，無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，嚴(yán)重影響了裝備的日常使用。由于引進(jìn)產(chǎn)品價(jià)格昂貴且采購周期較長(zhǎng)等原因，某部決定進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代，組織技術(shù)骨干經(jīng)過多方調(diào)研，采用較為直觀的微波等效網(wǎng)絡(luò)法分析了天線罩傳輸系數(shù)隨頻率、層厚的變化關(guān)系，通過HFSS 進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了天線罩設(shè)計(jì)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，為天線罩的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，最終設(shè)計(jì)了符合指標(biāo)要求的天線罩，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，獲得了令人滿意的結(jié)果，確保該型雷達(dá)在惡劣環(huán)境條件下正常工作。該型雷達(dá)天線罩的國(guó)產(chǎn)化減少了對(duì)裝備引進(jìn)方的依賴，有效縮短了裝備維修周期，節(jié)約了維修成本，無論在技術(shù)創(chuàng)新理念，還是軍事、經(jīng)濟(jì)效益方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 天線罩性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

某型雷達(dá)天線罩電性能指標(biāo)主要有:天線罩工作頻率在X 波段和L 波段;天線罩透波率≤85%。

2 天線罩電性能設(shè)計(jì)

2.1 天線罩的結(jié)構(gòu)選擇

天線罩的結(jié)構(gòu)形式主要有薄壁型、半波長(zhǎng)壁型和夾芯結(jié)構(gòu)型。薄壁型要求壁厚度d ＜0.02λ，它具有相當(dāng)高的電磁透波率，但機(jī)械強(qiáng)度極低。半波長(zhǎng)壁型其厚度約等于半個(gè)波長(zhǎng)，可在較大的入射角范圍內(nèi)獲得較好的傳輸特性和均勻的插入相位移，但頻帶較窄，結(jié)構(gòu)重量重。夾芯結(jié)構(gòu)型是由具有較高介電常數(shù)且厚度很小的內(nèi)外蒙皮和一個(gè)低介電常數(shù)的夾芯層組成。其中夾芯結(jié)構(gòu)型又分為A -夾層結(jié)構(gòu)、B -夾層結(jié)構(gòu)和多夾層結(jié)構(gòu)(包括C-夾層)。A-夾層結(jié)構(gòu)適用于流線罩，具有良好的重量為強(qiáng)度比，而且能設(shè)計(jì)成在小到中等入射角的情況下反射很低，可實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，減小天線相位畸變。B-夾層結(jié)構(gòu)，它對(duì)材料要求比較高，為保證匹配，獲得良好的透過系數(shù)，中間層介電常數(shù)為外層介電常數(shù)的均方值。多夾層結(jié)構(gòu)透過性較好，重量輕，可在較大入射角范圍內(nèi)獲得較高的傳輸性能，可用于高度流線型罩，適合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的場(chǎng)合，但插入相位移隨入射角變化劇烈［1-4］。

根據(jù)某型雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)，頻帶寬、重量輕、雙頻段工作等特點(diǎn)，同時(shí)考慮到機(jī)械強(qiáng)度等綜合因素［5-7］，設(shè)計(jì)方案采用了多夾層天線罩。

圖1 天線罩常見壁結(jié)構(gòu)

2.2 多夾層天線罩的四端網(wǎng)絡(luò)等效

對(duì)于多夾層結(jié)構(gòu)天線罩，運(yùn)用傳輸線理論，把多層平板等效為一個(gè)級(jí)聯(lián)的四端口網(wǎng)絡(luò)，通過這個(gè)等效的網(wǎng)絡(luò)，任意多層介質(zhì)平板的透過系數(shù)、發(fā)射系數(shù)，就可用一個(gè)簡(jiǎn)捷通用的公式來表達(dá)［8］。

1)多層平板的傳輸矩陣

式(1)中:

2)多層介質(zhì)平板的反射系數(shù)

式(6)中，B' =B/Zc0，C' =C/Zc0。

3)多層平板的透過系數(shù)

4)多層介質(zhì)平板引起的插入相移

式(8)中d=d1+d2+……+dN為多層介質(zhì)平板的總厚度。

依據(jù)等效四端網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣建立數(shù)學(xué)分析模型，并借助計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算軟件，如MathCAD、MatLad 等或者語言編程的方式，可以很方便地研究多夾層結(jié)構(gòu)天線罩的電磁特性與其物理結(jié)構(gòu)和工作頻率之間的變化關(guān)系，以此為依據(jù)即可選擇合適的材料，確定天線罩的物理結(jié)構(gòu)及尺寸。

2.3 A-夾層結(jié)構(gòu)透波率及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多夾層結(jié)構(gòu)可以看作多個(gè)A-夾層結(jié)構(gòu)的疊加，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。這里首先以A-夾層結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，探求透波率與工作頻率、芯層厚度、蒙皮厚度之間的關(guān)系，以便初步確定夾層的物理結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖2 A-夾層結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)外蒙皮采用玻璃纖維加環(huán)氧樹脂:ε1=4. 2，tgδ1=0.015;中間層采用低介電常數(shù)、低損耗、低密度的紙蜂窩芯層:ε2=1.15，tgδ2=0.004。

1)透波率隨夾層厚度的變化關(guān)系。圖3 是透波率與夾層厚度的變化曲線，由此可知:無論是水平極化，還是垂直極化，透波率都隨夾層厚度周期變化，當(dāng)夾層厚度在小于0.2λ和0.6λ(0.7λ 范圍內(nèi)，無論水平極化還是垂直極化，透波率都滿足要求。

2)透波率隨蒙皮厚度的變化。由圖4 可知，透波率隨蒙皮厚度呈現(xiàn)周期衰減變化趨勢(shì)，當(dāng)蒙皮厚度在小于0.025范圍內(nèi)時(shí)，透波率都大于85%，因此蒙皮的厚度可以選擇在這個(gè)范圍內(nèi)。(f= f0入射角θ0=0°，蒙皮厚d=0.02λ0)

圖3 透波率隨芯層厚度的變化關(guān)系曲線

圖4 透波率隨蒙皮厚度的變化關(guān)系曲線(0 ＜d1≤λ)

圖5 透波率隨蒙皮厚度變化關(guān)系曲線(0 ＜d1≤0.02λ)

3)透波率隨頻率的變化。圖6 是透波率與頻率的變化關(guān)系曲線，由此可知:隨頻率升高，傳輸系數(shù)下降。在相同的頻率下，水平極化的透波率優(yōu)于垂直極化的透波率，在工作頻率范圍內(nèi)，水平極化和垂直極化的透波率都大于85%。

圖6 透波率隨頻率的變化關(guān)系

3 天線罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮該型雷達(dá)工作頻帶覆蓋較寬，強(qiáng)度要求高的特點(diǎn)，采用9 層多夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外蒙皮采用玻璃纖維加環(huán)氧樹脂;中間層采用低介電常數(shù)、低損耗、低密度的紙蜂窩芯層。利用電磁仿真軟件HFSS 對(duì)所設(shè)計(jì)天線罩的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，天線罩總厚度24.3 mm，并對(duì)其電氣性能進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。圖7 給出了天線罩的仿真模型，圖8 和圖9 給出了該天線罩電氣性能的仿真結(jié)果。

圖7 天線罩仿真模型

圖8 高頻(低頻)工作頻段的駐波

圖9 高頻(低頻)工作頻段內(nèi)的插入損耗

由圖8 和圖9 可知，該天線罩在高頻工作頻段的駐波VSWR ＜1.02，插入損耗S ＜0.003 dB;在低頻工作頻段的駐波VSWR ＜1.26，插入損耗S ＜0.06 dB。從仿真結(jié)果來看，該天線罩的電氣設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期，完全能夠滿足部隊(duì)需求。

4 天線罩的測(cè)試

在天線罩的實(shí)際制作過程中，會(huì)受到如介質(zhì)材料切割壓制的尺寸精度、介電常數(shù)均勻程度等材料本身以及材料加工工藝等諸多因素的影響而帶來誤差。本文對(duì)設(shè)計(jì)加工的天線罩樣品進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試。

4.1 測(cè)試項(xiàng)目

天線罩的主要電氣性能表現(xiàn)為天線罩的透波性能及天線罩對(duì)天線駐波性能的影響兩個(gè)方面。天線罩的透波性能反映了功率傳輸性能，即天線罩對(duì)天線輻射能量的單程損耗，而其對(duì)天線駐波的影響反映了天線罩的功率反射性能，即加裝天線罩后反射波能量的大小變化。鑒于此，對(duì)天線罩的功率傳輸性能及反射性能進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。

4.2 測(cè)試方法

1)功率傳輸性能的測(cè)量。天線罩功率傳輸性能的測(cè)量，目的在于鑒定天線罩對(duì)微波能量的透射特性，可用傳輸系數(shù)來表征。它反映了天線罩對(duì)天線輻射的單程損耗，該損耗由材料熱耗，層間反射損耗和相位失配損耗3 部分組成。天線罩透波率可通過測(cè)量天線罩的插入損耗值來計(jì)算得到，其測(cè)量裝置的框圖如圖10 所示。

圖10 天線罩功率傳輸性能測(cè)試框圖

天線罩傳輸系數(shù)的具體測(cè)試步驟如下［1］:

測(cè)量時(shí)，待測(cè)天線固定，用于接收。先不加天線罩，收發(fā)天線瞄準(zhǔn)，保持信號(hào)源輸出穩(wěn)定，測(cè)量天線的接收功率作為參考電平U0;

裝上天線罩，在所要求的掃描角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)天線罩，并自動(dòng)微調(diào)源天線位置，使波束軸線瞄準(zhǔn)待測(cè)天線，記錄接收電平U1;

采用比較法，利用測(cè)量所得到的功率接收電平及參考電平可計(jì)算得到天線罩的插入損耗值:S=U0-U1。

天線罩的傳輸系數(shù)T 可通過換算式(1)計(jì)算得到:

2)功率反射性能的測(cè)量。天線罩的功率反射性能可通過比較待測(cè)天線加裝天線罩前后天線輸入駐波比的變化來體現(xiàn)，測(cè)試框圖見圖11。

圖11 天線罩功率反射性能測(cè)試框圖

具體測(cè)試步驟如下:按所需的頻段和采樣間隔進(jìn)行測(cè)量端口校準(zhǔn);接入天線，先不加天線罩，按與校準(zhǔn)時(shí)相同的頻段和采用間隔進(jìn)行測(cè)量;記錄所需頻率的電壓駐波比V0;裝上天線罩，記錄對(duì)應(yīng)頻率的電壓駐波比V1。

4.3 實(shí)測(cè)結(jié)果及結(jié)論

天線罩電氣測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 天線罩測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在X 波段該天線罩的插入損耗S≤0.39 dB，相應(yīng)的透波率為T≥91.4% ;L 波段天線罩的插入損耗S≤0.25 dB，相應(yīng)的透波率T≥94.4%。另外，由表1可看出，加裝天線罩前后天線的電壓駐波比變化很小，說明該天線罩對(duì)天線的駐波性能影響很小。

對(duì)比仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果，天線罩插入損耗的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值略有差別，主要是由于天線罩制作過程中材料本身以及材料加工工藝等限制因素而引入的誤差，另外還有天線罩測(cè)試過程中儀器精度和測(cè)試精度等方面的影響。但是從測(cè)試結(jié)果來看，誤差遠(yuǎn)在可以接受的范圍。通過實(shí)測(cè)及結(jié)果分析，該天線罩的電氣性能良好，完全可以滿足部隊(duì)的使用需求。

5 結(jié)束語

本文利用微波等效網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合HFSS 仿真軟件設(shè)計(jì)制作了某型引進(jìn)雷達(dá)的天線罩，經(jīng)過實(shí)際校飛，獲得了令人滿意的結(jié)果，確保該型雷達(dá)在惡劣環(huán)境條件下正常工作。該型雷達(dá)天線罩的國(guó)產(chǎn)化減少了對(duì)裝備引進(jìn)方的依賴，有效縮短了裝備維修周期，節(jié)約了維修成本。

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