基于片段式導流條的機載天線防雷研究

劉　濤，段雁超

（1.中航飛機股份有限公司研發中心，陜西　漢中　723000；2.西安愛邦雷電與電磁環境實驗室，陜西　西安　710077）

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基于片段式導流條的機載天線防雷研究

劉濤1，段雁超2

（1.中航飛機股份有限公司研發中心，陜西漢中723000；2.西安愛邦雷電與電磁環境實驗室，陜西西安710077）

摘要：機載天線的雷電防護不可忽略，同時天線罩的透波問題也至關重要。文章設計基于片段式導流條的機載天線雷電防護方案，驗證防雷方案的有效性，仿真計算片段式導流條對機載天線罩的透波影響。結果表明：基于片段式導流條的雷電防護方案有效可行，不但可以較好的對雷電進行防護，而且對天線罩的透波影響幾乎可以忽略。

關鍵詞：機載天線；雷電防護；片段式導流條；天線罩

機載天線是飛機系統與其它系統進行電磁能量的轉換設備，是飛機感知系統的一部分［1］。機載天線要滿足飛機環境使用條件，如氣動、強度、過載、沖擊、高低溫、抗靜電、防雷擊、防潮、防霉菌、防鹽霧等要求。機載天線要滿足這些要求，是通過機載天線罩進行防護的，其本身材料多數為玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料［2］，為不導電材料。天線罩材料本身屬性決定了其較為容易滿足除雷電防護的其它條件，但對自然界的雷電卻難以抵抗，如果直接被雷電擊中，很容易擊穿天線罩，直接對天線進行物理破壞，甚至雷電流脈沖通過天線系統串進飛機的電源系統或控制系統，導致飛機失控造成機毀人亡。機載天線種類眾多，本文以某型號的刀型天線為例，基于片段式導流條進行雷電防護設計。片段式導流條的優點在于，可以在空氣中形成電離通道，且對內部天線的影響十分小，幾乎可以忽略，還有安裝方便、質量輕等優點［3］。

1　機載天線雷電防護設計

機載天線多數矗立在飛機表面，由于天線本身的金屬特性，會成為引雷源，容易遭受雷擊，沒有做過雷電防護的機載天線，往往被擊穿天線罩，直接造成天線損毀。

圖1為沒有做過雷電防護的某機載天線依據SAE ARP5416A［4］標準進行的雷擊試驗，表明沒有做過雷電防護的機載天線不但會成為雷電附著，且雷擊會直接擊穿天線罩，損毀內部天線。

圖1　機載天線雷擊試驗

因此機載天線必須要做雷電防護，本文以某型號的刀型天線為例進行雷電防護設計說明，如圖2所示。在刀型天線罩上表面粘貼如圖3所示的片段式導流條，布置在中間部位，左右兩側各粘貼一條，片段式導流條引至中間鉚釘使雷電流傳導向飛機蒙皮。當雷電作用在機載天線周圍時，片段式導流條可以將雷電導引至自身，在其上表面形成一個電離通道，而不作用于天線罩本身。

圖2　機載刀型天線的雷電防護設計

圖3　片段式導流條

2　防雷試驗驗證

文中的防雷設計是否合理有效，將測試天線在西安愛邦雷電與電磁環境實驗室依據標準SAE ARP5416A進行雷電環境試驗。

圖4　刀型機載天線雷電環境試驗

圖4為刀型天線依據標準的雷電環境試驗，給出2種主要雷擊路徑的實驗結果，圖4a的試驗結果表示雷電直接附著在片段式導流條上，沒有作用在天線罩面上，在導流條表面形成電離通道（片段式導流條表面的亮光表示電離通道），將雷電導引至鉚釘，傳向飛機蒙皮，有效的對天線進行保護。圖4b 的試驗結果表示雷電沿天線罩表面閃絡后附著在片段式導流條上，雷電在天線罩面表面閃絡但是沒有擊穿天線罩，雷電流經片段式導流條和鉚釘傳向飛機蒙皮，這種現象雖然看似雷電直接作用在天線，但是電弧沒有進入材料本身，而是從材料表面形成閃絡通道，不會對材料本身造成傷害，因此也屬于有效的防護。

試驗結果表明，基于片段式導流條的機載刀型天線雷電防護有效可靠。

3　透波仿真驗證

由于片段式導流條的片段為金屬材料，需要判斷其是否對天線透波有影響，因此本文通過數值計算的手段評估片段式導流條對天線增益是否影響。文中計算刀型天線的中心頻率為2.45GHz。

圖5為刀型機載天線增益三維方向圖，可以看出文中的刀型天線為全向天線，最大增益為2dBi。為了體現片段式導流條透波方面的特點，分別計算不做任何防護的刀型天線方向圖、基于片段式導流條防護的刀型天線方向圖（見圖2）和基于金屬條防護的刀型天線方向圖（同片段式導流條安裝位置相同），結果如圖6所示。

圖5　刀型機載天線增益三維方向圖

圖6　刀型機載天線主方向上的增益方向圖

從圖6可以看出，在刀型機載天線的主方向上，片段式導流條幾乎對天線增益沒有影響，而金屬條對天線增益每個方向都有不同程度的影響，最大可以減小天線增益1.5dBi左右，影響較大。原因在于片段式導流條的間斷性，不能夠形成連續的電場對天線進行影響，天線輻射的電磁波信號可以通過導流條片段間隙進行繞射傳播，對天線產生較小的影響；而金屬條形成連續的電場，對天線輻射的電磁波信號進行一定程度的屏蔽，致使天線增益減小。理論上分析，若天線頻率越小，片段式導流條對天線增益的影響越小，文中計算的刀型天線頻率較高。

計算結果表明，片段式導流條不會影響天線罩的透波。

4　結論

設計基于片段式導流條的機載天線防雷方案，對其防雷性能進行試驗驗證，試驗結果表明，此方案有效可行；并對其透波性能進行仿真計算驗證，計算結果表明片段式導流條不影響天線罩的透波性能。整體表明基于片段式導流條的防雷方案是機載天線防雷比較理想的一種方案，且方案實施簡單高效，對原始天線罩幾乎不做任何改動。

［參考文獻］

［1］陳玉東，全力民.機載天線及其布局設計要求［J］.航空電子技術，2008（3）：34-38.

［2］李大進，肖加余.機載雷達天線罩常用透波復合材料進展研究［J］.材料導報，2011（S2）：352-357.

［3］熊秀，何征.一種新型片段式雷電導流條及電性能研究［C］//飛行器復雜電磁環境適應性學術會議論文集，2015.

［4］SAEARP5416A-2013.Aircraft lightning test methods［S］.Washington：2013.

Research on Lighting Protection to the Airborne Antenna Based on Segmented Lighting Diverter Strips

Liu Tao1, Duan Yanchao2
(1.R&D Center, AVIC Aircraft Co.,Ltd., Hanzhong723000, China;2.Lighting and Electromagnetic Environmental Laboratory of Xi’an Airborne Electromagnetic Technology Co.， Ltd.， Xi’an 710077， China）

Abstract：The lighting protection of the airborne antenna is as important as themicrowave transmittance of the radome, they both cannot be ignored. A design about lighting protection of the airborne antenna based on segmented lighting diverter strips, with a test which proved the effectiveness of the protection scheme， while simulated the transparent infuence of the segmented lighting diverter strips to the airborne antenna. The result indicated，the lighting protection scheme based on the segmented lighting diverter strips is effective and feasible， not only can protect the airborne antenna well， but also have little infuence to the microwave transmittance of the radome， even can be ignored.

Key words：airborne antenna; lighting protection; the segmented lighting diverter strips; radome

作者簡介：劉濤（1981-），男，陜西城固，工程師；研究方向：運輸類飛機航電系統無線電設計。