李寶鵬 李進杰 高偉亮 趙智品

摘 ?要： 機載雷達罩使用過程中容易造成機械損傷，可能會對其電性能發(fā)揮產(chǎn)生影響。文中分析了雷達罩常見的機械損傷類型及成因，介紹了雷達罩常見電性能參數(shù)，建立了雷達罩蒙皮脫落與線性劃傷模型，利用電磁仿真法對不同蒙皮脫落半徑和線性劃傷長度雷達罩的透波率、天線增益、天線方向圖等參數(shù)變化進行仿真分析。結(jié)果表明，相對于雷達罩實地測試法，所提方法經(jīng)濟實用，天線罩損傷模型有效可行，仿真結(jié)論對雷達罩機械損傷對電性能影響評估具有重要的理論指導意義。

關(guān)鍵詞： 雷達天線罩; 電性能; 機械損傷; 透波率; 蒙皮脫落; 線性劃傷仿真

中圖分類號： TN95?34; TB332 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）11?0125?05

Abstract： The mechanical damage generated in the use process of airborne radome may affect the electrical characteristic of radome. The common types and causes of the mechanical damage of the radome are analyzed. The common electrical performance parameters of the radome are introduced. The radome skin shedding model and linear scratching model are established. The electromagnetic simulation method is used to simulate and analyze the parameters such as wave penetration rate， antenna gain and antenna pattern of radome with different skin shedding radius and linear scratched length. The results show that， relative to the field of radome test method， this method is economical and practical， the radome damage model is effective and feasible， and the simulation conclusions have important theoretical guiding significance for the impact assessment of the radome′s mechanical damage to the electrical performance.

Keywords： radome; electrical characteristic; mechanical damage; wave penetration rate; skin shedding; linear scatched simulation

0 ?引 ?言

機載雷達天線罩（又稱機載雷達罩）是一種重要的飛機功能結(jié)構(gòu)部件，它與機身合為一體承受氣動載荷與慣性載荷，使飛機保持良好的空氣動力性能，一方面，作為雷達天線的物理防護罩保護雷達天線免受不利環(huán)境因素的損壞，另一方面它又是雷達波束的“電磁明窗”，使雷達天線系統(tǒng)發(fā)揮理想的電性能。機載雷達罩由于特殊的使用環(huán)境，難免會受到?jīng)_擊、侵蝕，產(chǎn)生開裂、分層、穿孔等機械損傷，雷達罩的機械損傷不僅會影響罩體的機械強度，影響載體的飛行安全，還可能會造成雷達探測能力的下降，從而影響雷達作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

目前，雷達罩機械損傷后對電性能影響評估缺少技術(shù)指導，沒有相關(guān)規(guī)程、規(guī)定和相應(yīng)措施、手段。針對上述現(xiàn)狀，本文開展雷達機械損傷對電性能影響進行仿真評估研究，分析常見機械損傷對雷達罩電性能影響的程度，實現(xiàn)雷達罩全壽命期內(nèi)的狀態(tài)跟蹤檢查和維修指導，這對保持雷達戰(zhàn)術(shù)性能發(fā)揮、延長雷達系統(tǒng)使用壽命，提高工作可靠性，降低其使用期間維修費用以及保證飛行安全等具有十分重要的意義。

1 ?雷達罩常見機械損傷

機載雷達罩常采用蜂窩式A夾層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層和第三層一般為樹脂基碳纖維復(fù)合材料，第二層為泡沫類或蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，各層膠合在一起[1]。飛機在高低空飛行和地面停放過程中，常會受到自然環(huán)境因素和人為因素帶來的不利侵害，如雨蝕、沖擊損傷、靜電燒蝕、人為撞擊等，這些侵害會造成雷達罩機械結(jié)構(gòu)損傷。

1.1 ?雨水侵蝕

飛機在高空飛行時通常伴隨著冰、雨的襲擊，高速的雨滴沖刷將嚴重侵蝕防雨蝕系統(tǒng)，日積月累水分便進入天線罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引起雷達波的畸變;同時，水分在天線罩內(nèi)部因結(jié)冰而膨脹，致使天線罩內(nèi)部的復(fù)合材料積水面積增大，結(jié)構(gòu)脫層、脫膠，嚴重降低天線罩的透波率，從而影響內(nèi)部天線的正常工作[2?3]。

圖1 ?蜂窩夾層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 ?沖擊侵害

由于冰雹、鳥擊等因素以及日常維護中的車輛、梯子等地面雷達設(shè)備與天線罩發(fā)生碰撞，導致天線罩的硬性損傷，有時即使很輕微的碰撞也有可能導致肉眼看不清的內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，使天線罩出現(xiàn)分層、脫膠等現(xiàn)象。

1.3 ?雷擊侵害

在惡劣的氣象條件下，當雷達罩遭受了更大的雷電沖擊，電流來不及傳導出去，就會在雷達罩的內(nèi)部迅速膨脹，造成雷達罩脫層、脫膠，甚至起泡，雷電也會偶爾擊中沒有安裝防雷擊條的部位。

1.4 ?靜電燒蝕

飛機在高速運動中與干燥的空氣相摩擦，會產(chǎn)生大量的電荷，當電荷累積到一定程度時，就會發(fā)生靜電放電燒蝕雷達罩的表面。靜電燒蝕經(jīng)常表現(xiàn)在雷達罩周圍有黑色的斑點。靜電燒蝕不會造成雷達罩的立刻損傷，但長時間以后會侵蝕雷達罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

以上侵害對雷達罩造成的機械結(jié)構(gòu)損傷主要有蒙皮脫落、罩體穿透、表面線性劃傷（傷及芯層）、蒙皮與芯層的分層四種。這些機械損傷改變了雷達罩體的結(jié)構(gòu)，因此會增加電磁波傳輸損耗，改變雷達罩介電常數(shù)和原來電磁波的指向偏移路徑，進而會影響雷達罩的電性能[4?5]。

2 ?雷達罩電性能分析方法

2.1 ?雷達罩電性能參數(shù)

2.1.1 ?瞄準誤差

電磁波透過雷達罩時天線主波束偏移天線瞄準軸線方向一定的角度，這個方向偏移稱為瞄準誤差[6]，如圖2所示為瞄準誤差的產(chǎn)生示意圖。天線輻射的電磁波透過雷達罩時，經(jīng)歷了空氣?介質(zhì)?空氣二種介質(zhì)構(gòu)成的傳播路徑。由于電磁波在多層介質(zhì)中傳播，則在介質(zhì)分界面處必然發(fā)生反射和折射，尤其是當雷達罩出現(xiàn)機械損傷時會使得不同部位引起的電磁波的相位延遲不同，從而改變電磁波的等相位面，使得帶罩天線的主向（電軸方向）發(fā)生偏移，波瓣發(fā)生畸變，即天線波束產(chǎn)生瞄準誤差。

圖2 ?瞄準誤差產(chǎn)生示意圖

2.1.2 ?透波率

透波率是指電磁波透過天線罩在電場遠區(qū)產(chǎn)生的最大場強值[E1]的平方與透過沒有天線罩時在電場遠區(qū)產(chǎn)生的最大場強值[E2]的平方之比：

可見，損耗和反射是降低雷達罩透波率的主要原因。介電常數(shù)[ε]越大，則電磁波在空氣與介質(zhì)罩壁分界面上的反射（即[R2]）就越大，這將增加鏡像波瓣電平并降低傳輸效率;損耗角正切[tan δ]越大，電磁波能量在透過雷達罩過程中轉(zhuǎn)化為熱量而損耗掉的能量就越多。

2.1.3 ?天線方向圖失真情況

天線方向圖是表征天線輻射特性的重要參考，常用的有三維方向圖和平面方向圖。天線罩系統(tǒng)對罩內(nèi)天線方向圖的影響反映了其整體性能，通過加罩前后方向圖的失真情況可以得到天線罩對罩內(nèi)天線各項性能指標的影響程度。在實際測量中，天線方向圖可以細化為主瓣和主瓣寬度、副瓣電平、零深電平等指標變化[7]，如圖3所示。

圖3 ?天線方向圖及參數(shù)

2.2 ?雷達罩電性能分析方法

雷達罩電性能測試方法通常有兩種：一種是旋轉(zhuǎn)天線測試法;另一種是電磁全波軟件仿真法。旋轉(zhuǎn)天線測試法主要包括搜零法、電子定標法、動態(tài)電軸跟蹤法。該類方法在有效控制收發(fā)天線與雷達罩的相對位置前提下，通過搭建由信號發(fā)射模塊、天線控制模塊、控制處理部分組成的測試系統(tǒng)進行實際參數(shù)測試。旋轉(zhuǎn)天線測試法投入設(shè)備復(fù)雜、成本高，同時存在定標曲線擬合有誤差、接收天線尋零控制困難、測試范圍角度受限等缺點[8?9]。

電磁全波軟件仿真法市場上已具有應(yīng)用較為成熟的商業(yè)軟件，如FEKO、HFSS、CST等，軟件內(nèi)部電磁仿真參數(shù)設(shè)置樣式豐富，并融合了時域有限差分法（FDTD）、矩量法（MOM）、有限積分法（FIT）等電磁仿真算法，具備仿真結(jié)果精確，應(yīng)用范圍廣、成本投入低的特點[10]。CST Microwave Studio（CST MWS）是基于有限積分方法編成的經(jīng)典軟件[7]，考慮到CST成本低、技術(shù)成熟，本文采用CST中的時域算法對天線罩進行計算仿真，它對天線罩進行全波仿真時，在一些曲率比較小的地方可以進行自適應(yīng)的網(wǎng)格剖分，并對電小尺寸的地方進行網(wǎng)格的自適應(yīng)加密。同時，CST集成了時域求解器，只需要一次計算就能得到整個寬帶特性。

3 ?仿真結(jié)果與分析

3.1 ?天線及天線罩建模

天線罩損傷仿真研究需要對大量的不同模型進行仿真，如果對實際的天線罩進行建模并仿真，不僅需要非常高的計算資源條件，而且需要花費大量的仿真時間。天線罩屬于超大電尺寸物體，曲率半徑比天線口徑的線度大，罩壁和天線間距通常在[λ2π～2D2λ]之間[9，11]（[λ]為電磁波波長，[D]為天線口徑寬度），既罩壁處于天線的輻射近區(qū)場內(nèi)，所以可以將天線罩等效成平板天線罩，通過對平板天線罩進行仿真來研究損傷對天線罩電性能的影響。

激勵采用工作在X波段的喇叭天線，平板天線罩剖分的網(wǎng)格大小為[110]波長，仿真的精度為-30 dB。平板天線罩采用傳統(tǒng)的A夾層結(jié)構(gòu)，邊長大小為500 mm×500 mm，總厚度為7.6 mm。天線罩結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，蒙皮采用石英氰酸酯材料，芯層采用蜂窩結(jié)構(gòu)材料。圖4為天線罩仿真模型。雷達電磁波仿真頻段設(shè)置為8～12 GHz。

表1 ?天線罩結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 ?天線罩仿真模型

通過仿真可以得到喇叭天線的增益為15.18 dBi， -3 dB波束寬度為29.1°，副瓣電平為-20.5 dB。下面分別對不同的機械損傷對天線罩電性能的影響進行仿真，提取出中心頻率在[f0=]9.6 GHz處的電性能參數(shù)進行比較并總結(jié)。

3.2 ?蒙皮脫落損傷仿真

天線罩在工作過程中，隨著外界環(huán)境的侵蝕以及使用年限的增加，會造成罩體表面蒙皮的脫落。構(gòu)建蒙皮脫落的模型如圖5所示，蒙皮脫落為外蒙皮脫落，脫落形狀為圓形，脫落區(qū)域在平板天線罩的中心區(qū)域。在CST軟件中仿真不同面積蒙皮區(qū)域脫落時，天線透過罩體后透波率、天線方向圖等參數(shù)的變化。

圖5 ?蒙皮脫落模型

圖6，圖7為天線罩無損傷和蒙皮脫落半徑為40 mm時的三維方向圖，圖8為天線罩無損傷與蒙皮脫落半徑為40 mm時二維方向圖比較，圖9為在中心頻率[f0]=9.6 GHz處天線罩透波率隨蒙皮脫落面積大小的變化曲線。

綜合分析圖6～圖9，將相關(guān)參數(shù)變化記錄在表2，可以得出以下結(jié)論：

1） 隨著蒙皮脫落半徑的增大，天線罩透波率會先出現(xiàn)一定的減小，然后再增大，并且從仿真結(jié)果可以計算出透波率最多減小大約20%。

圖6 ?天線罩無損傷天線方向圖

圖7 ?蒙皮脫落半徑為40 mm時方向圖

圖8 ?無損傷天線罩與蒙皮脫落半徑為40 mm時天線方向圖的比較

圖9 ?透波率隨蒙皮脫落面積大小變化關(guān)系

2） 透波率的減小和天線的口徑大小相關(guān)，當蒙皮脫落的面積和天線的口徑面積相比擬時，對透波率的影響最大。

3） 透波率的減小是因為這時天線的-3 dB波束展寬了，當蒙皮的脫落半徑為40 mm時，透波率大約減小20%，但是這時的-3 dB波束寬度大約增加11%，從圖7和圖8也可以看到這時的波束寬度有一定增加。

4） 從實際的情況考慮，當天線罩出現(xiàn)較大的蒙皮脫落肯定會拋棄使用，因為這時的力學性能會達不到使用要求，所以當只出現(xiàn)很小面積的蒙皮脫落時，對透波率的變化影響不大。

表2 ?天線電參數(shù)隨損傷大小變化

3.3 ?線性劃傷損傷仿真

天線罩在維護過程中會出現(xiàn)人為的劃傷（傷及芯層）。為了研究這種損傷（傷及芯層）對天線罩電性能的影響，通過在CST軟件中仿真天線罩在不同劃傷長度下的電性能。劃傷的寬度設(shè)置為4 mm，芯層的總厚度為5.6 mm，劃傷芯層的厚度為5 mm。圖10為天線罩線性劃傷仿真模型俯視圖，圖11為天線罩線性劃傷仿真模型側(cè)視圖，圖12為不同劃傷長度時的天線二維方向圖，表3為天線電性能參數(shù)隨劃傷長度的變化，圖13為在中心頻率[f0=]9.6 GHz處天線罩透波率隨損傷大小的變化曲線。

圖10 ?線性劃傷仿真俯視圖

可見，線性劃傷（傷及芯層）對天線罩透波率基本沒有影響，從圖12也可以看出，在不同的劃傷長度下，天線的方向圖基本重合在一起，即天線的-3 dB波束寬度、副瓣電平以及天線的增益等電性能基本不變，所以這種類型的損傷對天線罩電性能基本沒有影響。

圖11 ?線性劃傷仿真?zhèn)纫晥D

表3 ?天線電性能參數(shù)隨天線罩劃傷長度的變化

圖12 ?天線罩不同劃傷長度下的天線方向圖

圖13 ?透波率隨天線罩劃傷長度的變化關(guān)系

4 ?結(jié) ?語

雷達罩機械損傷除了會影響飛機機體結(jié)構(gòu)強度和動力性能外，還會造成電性能的下降。當雷達罩蒙皮脫層半徑超過40 mm時，會帶來透波率明顯下降，而線性劃傷（傷及芯層）相對其他損傷對雷達罩電性能影響較小。在雷達罩日常維護中應(yīng)當及時處理蒙皮脫落、穿孔、劃傷等損傷，以免造成水汽進入罩體帶來更大程度的侵害?；陔妶龇抡娣椒▽μ炀€罩進行電性能仿真，相對于天線測試法經(jīng)濟成本低，實用范圍廣，對雷達罩的使用維護具有一定的指導意義，當雷達罩電性能下降時，可以從機械損傷的角度排查故障原因。

參考文獻

[1] 劉曉春，孫世寧，王茜.機載寬頻帶雷達罩雙向變厚度設(shè)計方法[J].雷達科學與技術(shù)，2014（1）：101?102.

LIU Xiaochun， SUN Shining， WANG Qian. A method of bi?directionally changing?thickness design for airborne broadband radome [J]. Radar science and technology， 2014（1）： 101?102.

[2] 楊宗邦，王宇.雷達罩防雨蝕抗靜電涂層修復(fù)工藝研究[J].航空維修與工程，2015（8）：87?89.

YANG Zongbang， WANG Yu. Research on the repairing technology of rainerosion resistant and anti?static coating for radome [J]. Aviation maintenance & engineering， 2015（8）： 87?89.

[3] 王正剛，夏衛(wèi)衛(wèi)，趙兵，等.新舟飛機雷達罩蜂窩夾層進水和電性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2017（5）：93?98.

WANG Zhenggang， XIA Weiwei， ZHAO Bing， et al. Investigation on the honey comb core sandwich water intake and electrical performance of ma60 aircraft radome [J]. Fiber reinforced plastics/composites， 2017（5）： 93?98.

[4] 劉煒麗，田永鋒，鄭永梅，等.淺析機載雷達罩電性能指標的影響要素[J].測控技術(shù)，2016，35（z）：188?199.

LIU Weili， TIAN Yongfeng， ZHENG Yongmei， et al. Analysis of main factors affecting airborne radome electrical performan?ces indicators [J]. Measurement & control technology， 2016，35（S）： 188?199.

[5] 蔡承文，趙永鵬，李偉林.一種C型夾層雷達天線罩損傷后修補區(qū)域電性能計算方法[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學院學報，2015（3）：49?50.

CAI Chengwen， ZHAO Yongpeng， LI Weilin. The computing method of regional electrical properties for a certain C?sandwich radome after repairing damage [J]. Journal of Changsha Aeronautical Vocational and Technical College， 2015（3）： 49?50.

[6] 吳秉橫，唐懿文，劉元云.一種天線罩瞄準線誤差測試的動態(tài)尋零方法[J].彈箭與制導學報，2016（2）：53?54.

WU Bingheng， TANG Yiwen， LIU Yuanyun. A dynamic null?seeking method in radome boresight error measurement [J]. Journal of projectiles， rockets， missiles and guidance， 2016（2）： 53?54.

[7] 張楊，李勇，張培珍.機載火控雷達天線方向圖的設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（23）：11?12.

ZHANG Yang， LI Yong， ZHANG Peizhen. Design and simulation about antenna direction chart of airborne fire?control radar [J]. Modern electronics technique， 2009， 32（23）： 11?12.

[8] 許群，王云香，徐京樣.機載雷達罩動態(tài)電軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2013（1）：117?118.

XU Qun， WANG Yunxiang， XU Jingyang. Design and implementation of dynamic boresight tracing system for airborne radome [J]. Measurement & control technology， 2013（1）： 117?118.

[9] 許群，王云香，劉少斌.搜零法在相控陣雷達罩電性能測試中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達，2013（4）：62?63.

XU Qun， WANG Yunxiang， LIU Shaobin. Application of null seeking method in electrical performance test for phased array radome [J]. Modern radar， 2013（4）： 62?63.

[10] CSTChina.CST微波工作室適用算例匯編[M].上海：上海軟波工程軟件有限公司，2009：30?50.

CSTChina. A compilation of practical examples for CST Microwave Studios [M]. Shanghai： Shanghai Soft Engineering Software Co.， Ltd.， 2009： 30?50.

[11] 王云香，許群，劉尚吉，等.試驗天線對雷達罩傳輸效率的影響及分析[J].現(xiàn)代雷達，2015（12）：65?66.

WANG Yunxiang， XU Qun， LIU Shangji， et al. Influence and analysis of test antenna on radome transmission efficiency [J]. Modern radar， 2015（12）： 65?66.