王云香，許　群，劉尚吉，喬承曉

(高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，　濟(jì)南 250031)

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試驗(yàn)天線(xiàn)對(duì)雷達(dá)罩傳輸效率的影響及分析

王云香，許群，劉尚吉，喬承曉

(高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250031)

摘要：在雷達(dá)罩電性能測(cè)試過(guò)程中，需要用到試驗(yàn)天線(xiàn)，試驗(yàn)天線(xiàn)的類(lèi)型、極化方式和口徑尺寸對(duì)雷達(dá)罩電性能測(cè)試結(jié)果有一定影響。文中對(duì)試驗(yàn)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)雷達(dá)罩傳輸效率的影響程度進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性。計(jì)算和測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)試驗(yàn)天線(xiàn)與裝機(jī)天線(xiàn)口徑尺寸差別不大時(shí)，試驗(yàn)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)傳輸效率的影響較小。在工程實(shí)踐中，當(dāng)無(wú)法得到裝機(jī)天線(xiàn)時(shí)，可以用類(lèi)型相同、極化方式相同、口徑相近的天線(xiàn)作為試驗(yàn)天線(xiàn)，以完成傳輸效率的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)罩；傳輸效率；測(cè)試；試驗(yàn)天線(xiàn)

0引言

雷達(dá)罩電性能試驗(yàn)是檢測(cè)雷達(dá)罩電性能優(yōu)劣的必要手段，通常采用比較法檢測(cè)雷達(dá)罩的電性能，根據(jù)加罩前后被測(cè)天線(xiàn)輻射參數(shù)的變化計(jì)算得到雷達(dá)罩的電性能參數(shù)。安裝在雷達(dá)罩內(nèi)的天線(xiàn)通常稱(chēng)作試驗(yàn)天線(xiàn)，選取不同的試驗(yàn)天線(xiàn)，對(duì)雷達(dá)罩電性能試驗(yàn)結(jié)果有一定影響[1-2]。

關(guān)于試驗(yàn)天線(xiàn)的選取原則，通常是用真實(shí)天線(xiàn)或與真實(shí)天線(xiàn)電特性等效的天線(xiàn)作為試驗(yàn)天線(xiàn)，只有采用真實(shí)天線(xiàn)或等效天線(xiàn)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果最準(zhǔn)確。當(dāng)無(wú)法獲得真實(shí)天線(xiàn)或等效天線(xiàn)時(shí)，采用其他形制相同、尺寸相近的天線(xiàn)作為替代品，則會(huì)引入一定的試驗(yàn)誤差。本文對(duì)不同尺寸試驗(yàn)天線(xiàn)對(duì)雷達(dá)罩傳輸效率的影響，進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1不同尺寸天線(xiàn)對(duì)雷達(dá)罩傳輸效率影響的仿真計(jì)算

1.1仿真方法

所有求解電磁散射的理論和方法都可能用于雷達(dá)罩的電性能仿真計(jì)算，這些方法主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是數(shù)值解法；另一類(lèi)是高頻近似法[3-6]。數(shù)值解法包括矩量法、有限元法和時(shí)域有限差分法；高頻近似法包括幾何光學(xué)法、物理光學(xué)法、幾何繞射法、物理繞射法和等效電磁流法等。當(dāng)雷達(dá)罩的曲率半徑和天線(xiàn)口徑均遠(yuǎn)大于雷達(dá)工作波長(zhǎng)時(shí)，采用幾何光學(xué)法對(duì)雷達(dá)罩電性能進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算效率很高，而且能夠得到理想的計(jì)算精度。幾何光學(xué)法的主要原理是用一束垂直于天線(xiàn)口面的射線(xiàn)代表輻射到雷達(dá)罩上的電磁波，引入雷達(dá)罩對(duì)每條射線(xiàn)的幅度和相位的影響來(lái)計(jì)算加罩后天線(xiàn)的方向圖。通過(guò)比較加罩前后天線(xiàn)方向圖的變化，得到雷達(dá)罩的電性能參數(shù)。

用幾何光學(xué)三維射線(xiàn)跟蹤法計(jì)算加罩后天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的算式為[7-8]

exp[j(φmn+Ψmn)]

(1)

其中

(2)

(3)

為了確定試驗(yàn)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)雷達(dá)罩電性能的影響，采用幾何光學(xué)三維射線(xiàn)跟蹤法對(duì)雷達(dá)罩配套不同天線(xiàn)時(shí)的電性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。對(duì)比計(jì)算用的是同一雷達(dá)罩、不同的壁結(jié)構(gòu)形式、不同口徑的天線(xiàn)。

1.2天線(xiàn)特性

計(jì)算針對(duì)不同口徑的試驗(yàn)天線(xiàn)，分別稱(chēng)為試驗(yàn)天線(xiàn)1、試驗(yàn)天線(xiàn)2和試驗(yàn)天線(xiàn)3。三部試驗(yàn)天線(xiàn)均為平板裂縫天線(xiàn)，垂直極化，工作于X波段。試驗(yàn)天線(xiàn)1的口徑是Ф900 mm，試驗(yàn)天線(xiàn)2的口徑是Ф580 mm，試驗(yàn)天線(xiàn)3的口徑是Ф450 mm。

三部天線(xiàn)的尺寸不同，口徑分布也不同，其方向圖曲線(xiàn)如圖1～圖3所示，三部天線(xiàn)特性匯總見(jiàn)表1。由此可見(jiàn)，天線(xiàn)口徑場(chǎng)分布不同，其方向圖特性也有一定差別。

表1　天線(xiàn)特性匯總

圖1　試驗(yàn)天線(xiàn)1的主平面和方向圖曲線(xiàn)

圖2　試驗(yàn)天線(xiàn)2的主平面和方向圖曲線(xiàn)

圖3　試驗(yàn)天線(xiàn)3的主平面和方向圖曲線(xiàn)

1.3雷達(dá)罩壁結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)用雷達(dá)罩為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的卵形雷達(dá)罩，其典型外形如圖4所示，天線(xiàn)與雷達(dá)罩的典型位置關(guān)系如圖5所示。雷達(dá)罩的壁結(jié)構(gòu)形式為實(shí)芯半波壁結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)。實(shí)芯半波壁結(jié)構(gòu)的壁厚沿雷達(dá)罩軸線(xiàn)方向做變厚度設(shè)計(jì)，夾層結(jié)構(gòu)的芯層沿雷達(dá)罩軸線(xiàn)方向做變厚度設(shè)計(jì)。

圖4　雷達(dá)罩典型外形示意圖

圖5　天線(xiàn)與雷達(dá)罩的典型位置關(guān)系

1.4仿真計(jì)算結(jié)果

分別針對(duì)實(shí)芯半波壁結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩匹配不同口徑天線(xiàn)時(shí)的傳輸效率進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.4.1半波壁結(jié)構(gòu)的傳輸效率

根據(jù)加罩前后天線(xiàn)方向圖峰值功率的比值，對(duì)圖4所示雷達(dá)罩半波壁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的傳輸效率進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真計(jì)算分三種情況，即罩內(nèi)天線(xiàn)分別為試驗(yàn)天線(xiàn)1、試驗(yàn)天線(xiàn)2和試驗(yàn)天線(xiàn)3共三種情況，頻率為f0，俯仰掃描角為參變量，方位掃描角為-60°～40°，每間隔1°為一個(gè)采樣點(diǎn)，共有1 000多個(gè)點(diǎn)的傳輸效率數(shù)據(jù)。仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，部分典型曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。表2中的每一行代表該俯仰角下所對(duì)應(yīng)的一條傳輸效率曲線(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，傳輸效率平均值是指各俯仰角下100余個(gè)傳輸效率數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，傳輸效率最小值則是指各俯仰角的傳輸效率數(shù)據(jù)中的最低值。由于篇幅所限，本文沒(méi)有給出所有的計(jì)算數(shù)據(jù)，而是僅給出了部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這并不影響對(duì)整個(gè)仿真計(jì)算結(jié)果規(guī)律的理解。

表2　半波壁結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖6　半波壁結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率計(jì)算曲線(xiàn)

從計(jì)算結(jié)果可以看出以下規(guī)律：(1)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)傳輸效率最小值和平均值的影響均較小。如果在單個(gè)俯仰角下進(jìn)行比較，則三部試驗(yàn)天線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的傳輸效率平均值之間的最大差值為0.5%，傳輸效率最小值相差0.5%。(2)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)小掃描角下的傳輸效率影響較大，對(duì)±15°以外掃描角下的傳輸效率影響較小。當(dāng)天線(xiàn)的方位掃描角和俯仰掃描角均在±15°范圍內(nèi)時(shí)，雷達(dá)罩的頭部區(qū)域是天線(xiàn)的主工作區(qū)域，此時(shí)，天線(xiàn)口徑尺寸的變化對(duì)傳輸效率有較大影響，而當(dāng)天線(xiàn)掃描角大于±15°時(shí)，天線(xiàn)口徑尺寸的變化對(duì)傳輸效率的影響則較小。(3)試驗(yàn)天線(xiàn)1對(duì)應(yīng)的傳輸效率曲線(xiàn)起伏相對(duì)比較平緩，而試驗(yàn)天線(xiàn)2和試驗(yàn)天線(xiàn)3對(duì)應(yīng)的傳輸效率曲線(xiàn)起伏相對(duì)大一些。

根據(jù)式(1)可以定性理解以上差異，當(dāng)每個(gè)試驗(yàn)天線(xiàn)照射到天線(xiàn)罩上時(shí)，都有一個(gè)照射區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)每個(gè)單元面積的復(fù)傳輸系數(shù)都對(duì)天線(xiàn)罩的傳輸效率有貢獻(xiàn)。試驗(yàn)天線(xiàn)的口徑越大，所對(duì)應(yīng)的透波區(qū)也越大，影響天線(xiàn)罩傳輸效率的單元面積越多，則在該區(qū)域內(nèi)復(fù)傳輸系數(shù)的變化范圍也越大，總的矢量疊加的結(jié)果會(huì)體現(xiàn)權(quán)重最大的復(fù)傳輸系數(shù)的影響，而很難體現(xiàn)個(gè)別單元的特殊影響。通俗地說(shuō)，試驗(yàn)天線(xiàn)的口徑越大，天線(xiàn)罩的外形對(duì)傳輸效率的影響就越??；反之，則越大。因此，就出現(xiàn)了試驗(yàn)天線(xiàn)口徑越大，傳輸效率的變化就越平緩，試驗(yàn)天線(xiàn)口徑越小，傳輸效率的變化就越劇烈的現(xiàn)象。變化平緩的，其平均值與最小值的差距就小，變化劇烈的，其平均值與最小值的差距就大。

1.4.2夾層結(jié)構(gòu)的傳輸效率

以同樣的仿真計(jì)算方法，對(duì)圖1所示雷達(dá)罩夾層結(jié)構(gòu)狀態(tài)的傳輸效率進(jìn)行了仿真計(jì)算。罩內(nèi)天線(xiàn)仍然按照三種口徑進(jìn)行計(jì)算，分別為試驗(yàn)天線(xiàn)1、試驗(yàn)天線(xiàn)2和試驗(yàn)天線(xiàn)3，頻率為f0，俯仰掃描角為參變量，方位掃描角為-60°～40°，每間隔1°為一個(gè)采樣點(diǎn)，共有1000多個(gè)傳輸效率數(shù)據(jù)。仿真計(jì)算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3，部分典型曲線(xiàn)如圖7所示。表3中的每一行代表該俯仰角下所對(duì)應(yīng)的一條傳輸效率曲線(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，傳輸效率平均值是指該俯仰角下100余個(gè)傳輸效率數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，傳輸效率最小值則是指各俯仰角的傳輸效率數(shù)據(jù)中的最低值。由于篇幅所限，本文沒(méi)有給出所有的計(jì)算數(shù)據(jù)，而是僅給出了部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這并不影響對(duì)整個(gè)仿真計(jì)算結(jié)果規(guī)律的理解。

表3　夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖7　夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩傳輸效率計(jì)算曲線(xiàn)

對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩的計(jì)算結(jié)果有以下規(guī)律：(1)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)傳輸效率最小值和平均值的影響均較小。如果在單個(gè)俯仰角下進(jìn)行比較，則三部試驗(yàn)天線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的傳輸效率平均值之間的最大差值為0.5%，傳輸效率最小值相差0.5%。(2)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)小掃描角下的傳輸效率影響較大，對(duì)±15°以外掃描角下的傳輸效率影響較小。當(dāng)天線(xiàn)的方位掃描角和俯仰掃描角均在±15°范圍內(nèi)時(shí)，雷達(dá)罩的頭部區(qū)域是天線(xiàn)的主工作區(qū)域，此時(shí)天線(xiàn)口徑尺寸的變化對(duì)傳輸效率有較大影響，而當(dāng)天線(xiàn)掃描角大于±15°時(shí)，天線(xiàn)口徑尺寸的變化對(duì)傳輸效率的影響則較小。(3)試驗(yàn)天線(xiàn)1對(duì)應(yīng)的傳輸效率曲線(xiàn)起伏相對(duì)比較平緩，而試驗(yàn)天線(xiàn)2和試驗(yàn)天線(xiàn)3對(duì)應(yīng)的傳輸效率曲線(xiàn)起伏相對(duì)大一些。

2不同試驗(yàn)天線(xiàn)的對(duì)比測(cè)試

雷達(dá)罩電性能測(cè)試過(guò)程中，最理想的情況是用裝機(jī)天線(xiàn)或與裝機(jī)天線(xiàn)等效的天線(xiàn)作為試驗(yàn)天線(xiàn)，如果用其他天線(xiàn)作為試驗(yàn)天線(xiàn)可能會(huì)帶來(lái)一定的測(cè)試誤差。對(duì)于工程問(wèn)題而言，合理的測(cè)試誤差是可以接受的。為了解決在某些特殊情況下，既沒(méi)有裝機(jī)天線(xiàn)，也沒(méi)有等效天線(xiàn)時(shí)雷達(dá)罩的電性能測(cè)試問(wèn)題，可能不得不采用與裝機(jī)天線(xiàn)不等效的天線(xiàn)。采用非等效天線(xiàn)的前提是由此帶來(lái)的雷達(dá)罩電性能測(cè)試誤差在可接受的范圍內(nèi)。上一節(jié)對(duì)采用不同試驗(yàn)天線(xiàn)所產(chǎn)生的對(duì)傳輸效率影響進(jìn)行了仿真計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)傳輸效率計(jì)算結(jié)果的影響較小。為了掌握實(shí)際測(cè)試過(guò)程中試驗(yàn)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)傳輸效率的影響程度，規(guī)劃了一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)所用雷達(dá)罩為實(shí)芯半波壁結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)天線(xiàn)為第一章仿真計(jì)算所用的試驗(yàn)天線(xiàn)1和試驗(yàn)天線(xiàn)2，即試驗(yàn)天線(xiàn)1是Ф900 mm的平板裂縫天線(xiàn)，試驗(yàn)天線(xiàn)2是Ф580 mm的平板裂縫天線(xiàn)。兩個(gè)天線(xiàn)有相同的工作頻段。

對(duì)比試驗(yàn)所用測(cè)試系統(tǒng)是緊縮場(chǎng)雷達(dá)罩電性能測(cè)試系統(tǒng)。緊縮場(chǎng)的靜區(qū)尺寸為3.7 m×3.7 m，靜區(qū)內(nèi)幅度不平度≤1.0 dB，相位變化≤10°。測(cè)試系統(tǒng)的主要儀器有掃頻信號(hào)源、微波接收機(jī)、混頻器等。緊縮場(chǎng)雷達(dá)罩電性能測(cè)試系統(tǒng)的精度滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

對(duì)比試驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目是雷達(dá)罩的傳輸效率，測(cè)試頻率為點(diǎn)頻f0。傳輸效率采用動(dòng)態(tài)電軸跟蹤法測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中以俯仰掃描角為參變量，方位掃描角連續(xù)變化。俯仰掃描角間隔與仿真計(jì)算的間隔相同，方位掃描角范圍及間隔與仿真計(jì)算的相同，因此，數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)與仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)完全相同。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從所有的測(cè)試數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)可以看出，在15°以?xún)?nèi)的傳輸效率，采用試驗(yàn)天線(xiàn)2的結(jié)果比采用試驗(yàn)天線(xiàn)1的結(jié)果差，最小值偏差1.0%。在大于15°范圍內(nèi)，兩種天線(xiàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)一致性比較好，偏差一般小于0.5%。圖8則給出了部分測(cè)試曲線(xiàn)。

從測(cè)試結(jié)果可以得到以下結(jié)論：雷達(dá)罩傳輸效率對(duì)比試驗(yàn)的規(guī)律與仿真計(jì)算的規(guī)律相同；兩個(gè)試驗(yàn)天線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的傳輸效率測(cè)試數(shù)據(jù)的差值與仿真計(jì)算結(jié)果的差值相近。對(duì)比試驗(yàn)證明了仿真計(jì)算的正確性，也證明了可以用非等效天線(xiàn)測(cè)試?yán)走_(dá)罩的傳輸效率。

表4　傳輸效率測(cè)試結(jié)果對(duì)照表

圖8　傳輸效率測(cè)試曲線(xiàn)

3結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)罩傳輸效率對(duì)比試驗(yàn)和仿真計(jì)算的結(jié)果表明：(1)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果和仿真計(jì)算的結(jié)果規(guī)律一致、數(shù)值接近；(2)采用不同的試驗(yàn)天線(xiàn)進(jìn)行雷達(dá)罩傳輸效率測(cè)試時(shí)，對(duì)平均傳輸效率和最小傳輸效率的影響均較小，在允許的測(cè)試誤差范圍內(nèi)；(3)當(dāng)沒(méi)有裝機(jī)天線(xiàn)或與裝機(jī)天線(xiàn)等效的天線(xiàn)可用時(shí)，可以采用其它天線(xiàn)來(lái)代替裝機(jī)天線(xiàn)進(jìn)行雷達(dá)罩傳輸效率測(cè)試。替代天線(xiàn)的類(lèi)型、極化方式、工作頻率以及天線(xiàn)的安裝位置應(yīng)與裝機(jī)天線(xiàn)一致，天線(xiàn)尺寸應(yīng)與裝機(jī)天線(xiàn)盡可能相近。

試驗(yàn)天線(xiàn)口徑尺寸對(duì)雷達(dá)罩其它性能參數(shù)的影響可以采用同樣的方法進(jìn)行仿真計(jì)算和對(duì)比測(cè)試，本文不再贅述。

參 考 文 獻(xiàn)

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Influence and Analysis of Test Antenna on Radome Transmission Efficiency

WANG Yunxiang，XU Qun，LIU Shangji，QIAO Chengxiao

(Key Lab of High Performance Electromagnetic Window for

Avaition Science and Technology,Jinan 250031, China)

Abstract：During test for radome electrical performance,test antenna is needed. The type,polarization and aperture size of test antenna have certain influence on radome electrical performance. Completed a simulation calculation of influence degree on radome electrical performance caused by test antenna aperture size, verified by contrast test.Calculation and test results show that the test antenna aperture size has little influence on radome transmission efficiency as the difference between test antenna and airborne antenna is little. In engineering practice ,when there is not airborne antenna,we can use anthother antenna which has the same type,same polarization and similar size to airborne antenna to test transmission efficiency.

Key words：radome; transmission efficiency; test; test antenna

DOI：·收/發(fā)技術(shù)· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.015

收稿日期：2015-07-20

修訂日期：2015-09-18

通信作者：許群Email：xuqunjn@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TN821+.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)12-0065-05