天線戰損國內研究現狀

董盛藍，張宏偉

(軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003)

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天線戰損國內研究現狀

董盛藍，張宏偉

(軍械工程學院 電子與光學工程系，河北 石家莊 050003)

通過對國內現有天線戰損方面的文獻的分析，把天線戰損分為對反射面天線和對陣列天線兩部分進行研究，其中對陣列天線的研究主要是對相控陣天線的研究。指出了現有研究的局限性并給出了解決方法。天線戰損研究現狀及其得出的結論對戰場環境下天線的損傷等級評估以及搶修具有重要的意義。

雷達天線；戰損；國內現狀

0　引言

在海上、陸地、天空以及衛星上都能看到雷達的身影。它是現代戰場上的“千里眼”和“順風耳”，是現代信息化戰爭中至關重要的裝備，當然在戰場上也是敵方重要打擊的對象。天線系統作為電子對抗裝備中收發能量的載體，因其本身的輻射特性，難以進行有效的電磁隱蔽，極易被識別和定位，以至遭受到敵方反輻射武器的打擊[1]。因此研究雷達天線的戰損情況具有十分重要的意義。

1　天線戰損

戰損[2]是裝備戰斗損傷的簡稱，是指裝備在作戰使用過程中，由于受到敵方武器的襲擊使其機件遭到破壞或是功能嚴重下降而影響使用效能的一種狀態。過去主要是槍彈、炮彈、炸彈造成的損傷，現有在還有導彈造成的損傷。除了這些硬損傷外，戰損還包括電磁、激光等造成的損傷。現有研究的天線戰損主要包括破片損傷和沖擊波損傷。有單獨研究破片損傷的，如參考文獻[3-9]，有單獨研究沖擊波損傷的，如參考文獻[10-11]，還有研究破片與沖擊波復合損傷的，如參考文獻[12-14]。根據天線類型的不同又大體可分為反射面天線戰損和陣列天線戰損。其中陣列天線戰損研究的主要內容為相控陣天線的損傷。

2　反射面天線的戰損研究

反射面天線的損傷主要包括三種損傷類型[15]：饋源損傷、反射面變形和反射面穿孔。

2.1饋源損傷

在大多數研究天線戰損的文獻中，饋源都被假定是完好的，極少有單獨研究饋源損傷的。而參考文獻[16]則提出了對饋源損傷的研究，這是國內第一篇對饋源損傷進行研究的文獻。它研究了饋源穿孔毀傷后的輻射特性, 分析了饋源毀傷后對反射面次級輻射的影響，利用FDTD方法計算出饋源完好時以及損傷時的口徑場，并進行了對比；利用PO和PTD混合算法計算了反射面天線的次級輻射特性，比較了饋源完好時和損傷時天線的次級輻射特性，并明確得出饋源損傷會直接影響反射面天線的次級輻射特性。參考文獻[15]對單孔以及雙孔饋源損傷進行了仿真，給出了饋源破孔損傷時與饋源完好時天線性能對比的具體參數，并得出單孔損傷時天線方向圖不對稱、主瓣寬度變寬方向性變差、增益變小副瓣抬高等結論。

2.2反射面變形

反射面變形主要考慮由沖擊波引起。參考文獻[9]通過對反射面天線的建模與仿真，根據仿真數據對比分析了沖擊波在分別作用于天線的正面、側面以及反面時天線的方向圖。得出在相同距離下沖擊波在正面作用于天線時引起的毀傷最大。由參考文獻[17]可知，反射面變形時，變形位置和面積對電氣性能影響最大，且位置越靠近中心，變形面積越大，對天線性能影響越大。在參考文獻[13]中，由真實的實驗數據推出中心形變部分的反射面方程，推算出形變部分的輻射場，進而得出整個變形天線的輻射場。改變位置和大小以觀察其形變后輻射場的改變，與完好時的輻射場進行對比得出副瓣抬高嚴重的結論，并給出邊緣變形會使方向圖不對稱的結論。總之，天線變形對天線的性能影響較大，且暫時沒有好的修復措施。

2.3反射面穿孔

反射面穿孔一般由具有一定初速度的破片的侵入造成。國內大部分關于雷達天線戰損的研究都是針對破片對天線造成影響的研究。破片的形狀和大小都是任意的，而在現有的研究中大都把破片的形狀理想化為圓形或者方形等規則圖形，具有一定的誤差，也為理論計算以及仿真研究提供了便利。

常用的反射面天線破孔的模型[6]，已知反射面天線遠場輻射電場為：

(1)

由此可求出反射面上激勵的面電流密度分布,就可得出拋物面的輻射特性。根據物理光學近似,可得反射面天線表面的等效電流。由于損傷穿孔處沒有電流,電流只在其他完好表面區域存在, 因此只要式(1)中被積函數的電流部分改變為式(2):

(2)

這樣即可通過改變破孔的位置和大小以及數量來改變損傷模型。圖1為典型破孔形狀[6]。

圖1　反射面天線典型破孔

肖疆[2-3]分別對反射面的損傷進行了單孔以及多孔的研究。在孔徑以及孔的位置、孔的數量這些可變因素下具體分析了損傷天線的遠場輻射特性;并得出孔徑越大或者孔越靠近中心位置,增益下降越多, 副瓣電平提高越多，孔數越多,副瓣抬高越大, 但總體影響不明顯的結論。付世奇[4]在此基礎上進行了單孔損傷的修補方法研究，提出了三種有效的修補方法，并對三種方法進行了比較，得出了在戰場環境下最簡便實用的方法即在天線內側面補上半徑略大于破孔的補片，這樣會引起一定的誤差且此誤差由補片的厚度決定。袁俊明[5]在前面的基礎上又著重研究了天線的遠場輻射特性隨著不同的破損密度的變化情況，結果表明只有在破損密度很大的情況下對增益的影響才比較顯著，說明只單純依靠破片很難對天線造成嚴重的損傷。破片孔的尺寸、位置、密度是影響天線電氣性能的主要因素。對性能的影響主要表現在增益的降低、副瓣的抬高以及方向性變差這三個方面。它是戰場上主要的破壞因素。

3　陣列天線的研究

陣列天線不同于反射面天線的最主要的特點是：更好的方向性以及更強的輻射場強。陣列天線相當于多個電磁波的疊加。其中最為特殊的是相控陣天線。下面主要分析相控陣天線的戰損。

3.1破片損傷

國內最早研究相控陣破片損傷的是參考文獻[18]，建立了相控陣雷達易損部件——天線和箱體的等效模型，得出了鎢球破片直徑越大, 擊穿雷達天線所需的殺傷動能越大的結論，進而推論出雷達易損部件對鎢球破片的抗毀傷能力隨著鎢球破片直徑的增大而顯著提高。參考文獻[7]從微觀的角度建立了靶板毀傷三維模型，具體分析了鎢球模型以及靶板模型的各項參數，認為初速度對侵徹的影響中破片初速度越大所需殺傷動能越大，與靶板的作用時間減少，鎢球和靶板的消蝕現象加劇。參考文獻[19]建立了破片式戰斗部對相控陣雷達的毀傷評估模型，計算了破片式戰斗部作用下雷達各方向的易損性，結果表明天線陣面一側的毀傷效果最佳，并計算了某終點條件下脫靶面上的毀傷概率分布,得出相應結論。

3.2沖擊波損傷

[20]采用理論分析方法研究爆炸沖擊波作用下天線罩的動態響應，采用實驗方法研究爆炸沖擊波作用下天線罩及天線結構的毀傷情況，獲得在不同強度沖擊波作用下天線罩和輻射單元的毀傷破壞規律。在實驗的基礎上，通過數值仿真的方法，利用有限元分析軟件 ANSYS，根據沖擊波載荷的毀傷特點，對天線的結構等效模型在不同的沖擊波作用強度下進行數值模擬。數值模擬結果與實驗現象吻合較好。參考文獻[10]研究了炸藥安放不同位置下對靶板的破壞程度，根據炸點的位置給出一個概略的損傷程度。

3.3破片和沖擊波的復合損傷

[11] 研究相控陣雷達天線罩在破片與沖擊波聯合作用下的復合毀傷效應規律。參考文獻[12]研究了在不同時序下破片和沖擊波對靶板的復合影響，分別對破片先到沖擊波后到、沖擊波先到破片后到進行了研究。經過仿真分析得出破片與沖擊波作用的時序的不同對復合毀傷結果有很大影響的結論。

3.4輻射單元失效

[21]中，把失效的陣元幅度置“0”，對剩下的陣元進行疊加得出天線方向圖；建立了相控陣天線的模型，并分別對均勻陣元失效、局部陣元失效以及完好時的天線進行了仿真。得出以下結論：陣元失效越多，天線方向性系數下降越明顯，副瓣抬高；失效陣元數相同時，均勻失效比局部失效方向性系數下降得多，副瓣抬高得少；失效陣元數相同時，中心局部失效比邊緣局部失效的方向性系數下降得少, 最高副瓣抬高明顯。這些結論對相控陣戰損的研究有重要意義。

4　現存研究中的局限以及解決方法

在破片損傷的研究中，破片形狀規則且在同一次仿真中破片大小相同。然而在實際戰場環境下，破片形狀不規則，不能用規則的形狀相同的大小來代替。目前對于仿真的研究較成熟與普遍，而且有對于爆炸后彈體多方面的研究。可以根據爆炸后實際中破片的形狀與大小進行建模與仿真，創建不同形狀、不同大小的破片數據庫，在同一次的仿真中仿真不同形狀、不同大小的破片損傷。在現有研究的基礎上進行相應的拓展，得出更貼近實戰環境的仿真結果，進一步研究戰場環境下如何簡單高效地修復破孔。目前唯一對破孔損傷的修復方法僅僅是對圓形破孔的修補，可在此基礎上提出更多針對實際情況的修復方法。

變形對反射面天線造成的影響極大，而目前尚無很好的補償辦法。或可借鑒破片損傷的修復方法，根據天線的曲率制造從小到大各種尺寸的補片，在變形的位置上帖上相應的補片，進而對貼上補片的天線進行仿真研究，得出修復效果以及存在的誤差等。

現有的對于相控陣天線的戰損研究較少，而隨著各項工藝技術的純熟，T/R組件的成本也將下降。由于相控陣的無慣性掃描、波束指向靈活、多波束同時實現不同功能、可靠性高等優點，它的戰損研究也將有重要的意義。在本文中將相控陣損傷的研究分為4種，而實際情況是復雜的，天線罩的損傷對輻射特性也存在影響。實戰情況下不排除破片沖擊波等對饋線造成的損傷。在后續的研究中，可全方位地考慮戰場環境下對天線各個部位造成的損傷。由于相控陣天線各個振元幅度與相位可調節的特點，在以后的研究中可利用此特點來調節相控陣天線的輻射特性。

5　結論

總的來說，沖擊波對天線引起的損傷較大且較難修復。若沖擊波對天線的作用距離較遠則不會造成太大的損傷。破片是戰場上對天線造成損傷的主要因素，是戰損研究的重要方面，但少數的破片不會造成太大的損傷。現存的破片與沖擊波對天線造成的復合損傷的研究具有重要價值，貼近戰場實際環境。總之，關于天線戰損的研究對實際戰場的天線損傷評估以及搶修具有一定的指導意義。

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Aerial battle damage status of domestic research

Dong Shenglan, Zhang Hongwei

(Department of Electronic & Optical Engineering, Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Through analysis and study of aerial battle damage existing domestic literature, The antenna of battle damage is divided into reflector antenna and array antenna. The research on the array antenna is mainly for phased array antenna. In this paper, the limitations of the current research are presented and the solutions are given. Aerial battle damage research status and conclusions has an important significance for the battlefield environment antenna damage rating and repair.

radar antenna; battle damage; domestic situation

TP39

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.003

2016-03-04)

董盛藍(1992-)，女，碩士研究生，主要研究方向：天線損傷及修復。

張宏偉(1969-)，男，碩士，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向：雷達信號處理、雷達性能測試與故障診斷。

引用格式：董盛藍，張宏偉. 天線戰損國內研究現狀[J].微型機與應用，2016,35(15)：11-13,17.