劉　濤，段雁超

（1.中航飛機(jī)股份有限公司研發(fā)中心，陜西　漢中　723000；2.西安愛(ài)邦雷電與電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，陜西　西安　710077）

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基于片段式導(dǎo)流條的機(jī)載天線防雷研究

劉濤1，段雁超2

（1.中航飛機(jī)股份有限公司研發(fā)中心，陜西漢中723000；2.西安愛(ài)邦雷電與電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710077）

摘要：機(jī)載天線的雷電防護(hù)不可忽略，同時(shí)天線罩的透波問(wèn)題也至關(guān)重要。文章設(shè)計(jì)基于片段式導(dǎo)流條的機(jī)載天線雷電防護(hù)方案，驗(yàn)證防雷方案的有效性，仿真計(jì)算片段式導(dǎo)流條對(duì)機(jī)載天線罩的透波影響。結(jié)果表明：基于片段式導(dǎo)流條的雷電防護(hù)方案有效可行，不但可以較好的對(duì)雷電進(jìn)行防護(hù)，而且對(duì)天線罩的透波影響幾乎可以忽略。

關(guān)鍵詞：機(jī)載天線；雷電防護(hù)；片段式導(dǎo)流條；天線罩

機(jī)載天線是飛機(jī)系統(tǒng)與其它系統(tǒng)進(jìn)行電磁能量的轉(zhuǎn)換設(shè)備，是飛機(jī)感知系統(tǒng)的一部分［1］。機(jī)載天線要滿足飛機(jī)環(huán)境使用條件，如氣動(dòng)、強(qiáng)度、過(guò)載、沖擊、高低溫、抗靜電、防雷擊、防潮、防霉菌、防鹽霧等要求。機(jī)載天線要滿足這些要求，是通過(guò)機(jī)載天線罩進(jìn)行防護(hù)的，其本身材料多數(shù)為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料［2］，為不導(dǎo)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(hù)的其它條件，但對(duì)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(duì)天線進(jìn)行物理破壞，甚至雷電流脈沖通過(guò)天線系統(tǒng)串進(jìn)飛機(jī)的電源系統(tǒng)或控制系統(tǒng)，導(dǎo)致飛機(jī)失控造成機(jī)毀人亡。機(jī)載天線種類眾多，本文以某型號(hào)的刀型天線為例，基于片段式導(dǎo)流條進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。片段式導(dǎo)流條的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在空氣中形成電離通道，且對(duì)內(nèi)部天線的影響十分小，幾乎可以忽略，還有安裝方便、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)［3］。

1　機(jī)載天線雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

機(jī)載天線多數(shù)矗立在飛機(jī)表面，由于天線本身的金屬特性，會(huì)成為引雷源，容易遭受雷擊，沒(méi)有做過(guò)雷電防護(hù)的機(jī)載天線，往往被擊穿天線罩，直接造成天線損毀。

圖1為沒(méi)有做過(guò)雷電防護(hù)的某機(jī)載天線依據(jù)SAE ARP5416A［4］標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的雷擊試驗(yàn)，表明沒(méi)有做過(guò)雷電防護(hù)的機(jī)載天線不但會(huì)成為雷電附著，且雷擊會(huì)直接擊穿天線罩，損毀內(nèi)部天線。

圖1　機(jī)載天線雷擊試驗(yàn)

因此機(jī)載天線必須要做雷電防護(hù)，本文以某型號(hào)的刀型天線為例進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)說(shuō)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(dǎo)流條，布置在中間部位，左右兩側(cè)各粘貼一條，片段式導(dǎo)流條引至中間鉚釘使雷電流傳導(dǎo)向飛機(jī)蒙皮。當(dāng)雷電作用在機(jī)載天線周圍時(shí)，片段式導(dǎo)流條可以將雷電導(dǎo)引至自身，在其上表面形成一個(gè)電離通道，而不作用于天線罩本身。

圖2　機(jī)載刀型天線的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

圖3　片段式導(dǎo)流條

2　防雷試驗(yàn)驗(yàn)證

文中的防雷設(shè)計(jì)是否合理有效，將測(cè)試天線在西安愛(ài)邦雷電與電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A進(jìn)行雷電環(huán)境試驗(yàn)。

圖4　刀型機(jī)載天線雷電環(huán)境試驗(yàn)

圖4為刀型天線依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的雷電環(huán)境試驗(yàn)，給出2種主要雷擊路徑的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4a的試驗(yàn)結(jié)果表示雷電直接附著在片段式導(dǎo)流條上，沒(méi)有作用在天線罩面上，在導(dǎo)流條表面形成電離通道（片段式導(dǎo)流條表面的亮光表示電離通道），將雷電導(dǎo)引至鉚釘，傳向飛機(jī)蒙皮，有效的對(duì)天線進(jìn)行保護(hù)。圖4b 的試驗(yàn)結(jié)果表示雷電沿天線罩表面閃絡(luò)后附著在片段式導(dǎo)流條上，雷電在天線罩面表面閃絡(luò)但是沒(méi)有擊穿天線罩，雷電流經(jīng)片段式導(dǎo)流條和鉚釘傳向飛機(jī)蒙皮，這種現(xiàn)象雖然看似雷電直接作用在天線，但是電弧沒(méi)有進(jìn)入材料本身，而是從材料表面形成閃絡(luò)通道，不會(huì)對(duì)材料本身造成傷害，因此也屬于有效的防護(hù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于片段式導(dǎo)流條的機(jī)載刀型天線雷電防護(hù)有效可靠。

3　透波仿真驗(yàn)證

由于片段式導(dǎo)流條的片段為金屬材料，需要判斷其是否對(duì)天線透波有影響，因此本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算的手段評(píng)估片段式導(dǎo)流條對(duì)天線增益是否影響。文中計(jì)算刀型天線的中心頻率為2.45GHz。

圖5為刀型機(jī)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(xiàn)片段式導(dǎo)流條透波方面的特點(diǎn)，分別計(jì)算不做任何防護(hù)的刀型天線方向圖、基于片段式導(dǎo)流條防護(hù)的刀型天線方向圖（見(jiàn)圖2）和基于金屬條防護(hù)的刀型天線方向圖（同片段式導(dǎo)流條安裝位置相同），結(jié)果如圖6所示。

圖5　刀型機(jī)載天線增益三維方向圖

圖6　刀型機(jī)載天線主方向上的增益方向圖

從圖6可以看出，在刀型機(jī)載天線的主方向上，片段式導(dǎo)流條幾乎對(duì)天線增益沒(méi)有影響，而金屬條對(duì)天線增益每個(gè)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(dǎo)流條的間斷性，不能夠形成連續(xù)的電場(chǎng)對(duì)天線進(jìn)行影響，天線輻射的電磁波信號(hào)可以通過(guò)導(dǎo)流條片段間隙進(jìn)行繞射傳播，對(duì)天線產(chǎn)生較小的影響；而金屬條形成連續(xù)的電場(chǎng)，對(duì)天線輻射的電磁波信號(hào)進(jìn)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(dǎo)流條對(duì)天線增益的影響越小，文中計(jì)算的刀型天線頻率較高。

計(jì)算結(jié)果表明，片段式導(dǎo)流條不會(huì)影響天線罩的透波。

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)基于片段式導(dǎo)流條的機(jī)載天線防雷方案，對(duì)其防雷性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，此方案有效可行；并對(duì)其透波性能進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明片段式導(dǎo)流條不影響天線罩的透波性能。整體表明基于片段式導(dǎo)流條的防雷方案是機(jī)載天線防雷比較理想的一種方案，且方案實(shí)施簡(jiǎn)單高效，對(duì)原始天線罩幾乎不做任何改動(dòng)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］陳玉東，全力民.機(jī)載天線及其布局設(shè)計(jì)要求［J］.航空電子技術(shù)，2008（3）：34-38.

［2］李大進(jìn)，肖加余.機(jī)載雷達(dá)天線罩常用透波復(fù)合材料進(jìn)展研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2011（S2）：352-357.

［3］熊秀，何征.一種新型片段式雷電導(dǎo)流條及電性能研究［C］//飛行器復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性學(xué)術(shù)會(huì)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(jiǎn)介：劉濤（1981-），男，陜西城固，工程師；研究方向：運(yùn)輸類飛機(jī)航電系統(tǒng)無(wú)線電設(shè)計(jì)。