(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引言

為了保持良好的氣動(dòng)外形和電磁波透波特性[1]，戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)一般在飛機(jī)頭部采用蛋卵形天線罩[2]。戰(zhàn)斗機(jī)在起飛、降落過(guò)程中天線罩可能受到沙粒、顆石的擊打，在飛行過(guò)程中也可能受到雨滴、冰雹甚至鳥(niǎo)類的撞擊。這些都會(huì)對(duì)雷達(dá)罩造成物理?yè)p傷，從而影響天線罩的電磁透波特性，進(jìn)而影響火控雷達(dá)天線空間輻射特性，影響雷達(dá)的探測(cè)距離和目標(biāo)測(cè)量精度[3-4]。

為了掌握物理?yè)p傷對(duì)雷達(dá)天線罩電磁特性的影響，需要對(duì)損傷后天線罩的透波特性進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括天線罩不同方向透波一致性測(cè)試、損傷部位透波特性測(cè)試等內(nèi)容。由于機(jī)載火控雷達(dá)一般工作在X波段，典型工作頻率范圍為9～10 GHz，測(cè)試頻率范圍應(yīng)該覆蓋機(jī)載火控雷達(dá)的典型工作頻率范圍。

1 透波性能測(cè)試方法

天線罩的透波特性可以通過(guò)透波率和插入相位移來(lái)描述[5-6]。

透波率也稱為功率傳輸系數(shù)[7]，定義為：電磁波通過(guò)天線罩后在遠(yuǎn)場(chǎng)固定距離上的功率值Ps與天線罩不存在時(shí)同樣位置處功率值P0的比值，如式(1)所示。

(1)

插入相位移的定義為：電磁波通過(guò)天線罩后到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)固定距離上的相位變化量φs與天線罩不存在時(shí)電磁波到達(dá)同樣位置處相位變化量φ0之間的差值，如(2)所示。

IPD=φs-φ0

(2)

直接對(duì)天線罩透波率和插入相位移進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜[8]，測(cè)量步驟繁瑣[9]。為了提高天線罩透波特性測(cè)試效率，可以把發(fā)射天線和接收天線當(dāng)作一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量?jī)啥丝诰W(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)中s21分量間接獲得透波率和插入相位移的值。

對(duì)于一個(gè)雙端口微波網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，設(shè)a1和a2為兩個(gè)端口的入射信號(hào)，b1為1端口反射信號(hào)，b2為2端口反射信號(hào)。那么b1和b2可通過(guò)下面式子進(jìn)行計(jì)算。

b1=s11·a1+s12·a2

(3)

b2=s22·a2+s21·a1

(4)

其中S參數(shù)4個(gè)分量的定義如下所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

下面先來(lái)推導(dǎo)透波率與插入相位移與s21的關(guān)系表達(dá)式。在2端口無(wú)輸入即a2=0的情況下s21分量的值為：

(9)

根據(jù)透波率、插入相位移和S參數(shù)s21分量的定義，透波率、插入相位移的值可通過(guò)測(cè)量s21(或s12)得到。設(shè)天線罩不存在時(shí)S參數(shù)s21分量的值為(s21)0，存在天線罩時(shí)s21分量的值為(s21)s。那么透波率、插入相位移的值可以分別由下面兩式得到：

(10)

(11)

其中:ψ[·]為取相位運(yùn)算。

根據(jù)式(10)和(11)天線罩的透波率和插入相位移可以通過(guò)兩次測(cè)量S參數(shù)的s21分量得到。而微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)4個(gè)分量的測(cè)量可通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以對(duì)s21分量的幅度和相位進(jìn)行計(jì)算并單獨(dú)顯示。并且由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有記憶功能，它可以將當(dāng)前測(cè)量值記錄在內(nèi)存中，并與后續(xù)測(cè)量值進(jìn)行加、減、乘、除等操作。因此在兩次測(cè)量S參s21分量的過(guò)程中，將無(wú)天線罩的s21分量(s21)0的值記錄在內(nèi)存中，在測(cè)量存在天線罩s21分量(s21)s時(shí)，通過(guò)與內(nèi)存值的加、減、乘、除等操作可以得到天線罩的透波率和插入相位移。通過(guò)比較天線罩存在條件下和無(wú)天線罩條件下s21分量幅度比值可以獲得天線罩引起的透波率，根據(jù)s21分量相位差值獲得插入相位移。

2 測(cè)試電路及測(cè)試設(shè)備

測(cè)量電路連接關(guān)系如圖1所示，測(cè)試電路由發(fā)射和接收兩個(gè)喇叭口天線、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和連接射頻電纜組成。2個(gè)喇叭口天線通過(guò)射頻電纜分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2相連。喇叭口1連接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口1為發(fā)射天線，喇叭口2連接網(wǎng)絡(luò)分析儀端口2為接收天線。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)電路連接圖

在測(cè)試電路中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是最重要的測(cè)試儀器，系統(tǒng)選用的型號(hào)為中電41所的矢網(wǎng)AV3672B(10 MHz～26.5 GHz)。AV3672B為Windows 7中文操作系統(tǒng)，兼?zhèn)溆⑽牟藛芜x項(xiàng)，具有頻響、單端口、響應(yīng)隔離、全雙端口、TRL、電校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)方式。具有32個(gè)顯示窗口，每個(gè)窗口同時(shí)顯示8條軌跡。提供多達(dá)64個(gè)獨(dú)立測(cè)量通道，快速執(zhí)行復(fù)雜測(cè)試方案。具有對(duì)數(shù)幅度、線性幅度、駐波比、相位、群時(shí)延、Smith圓圖、極坐標(biāo)等多種顯示格式。具有時(shí)域分析、頻率偏移測(cè)量、一體化脈沖測(cè)量、增益壓縮二維掃描測(cè)量、混頻器/變頻器測(cè)量、有源互調(diào)失真測(cè)量、毫米波擴(kuò)頻等功能。重要的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 矢網(wǎng)AV3672B性能指標(biāo)

需要注意的時(shí)，為了減小矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量誤差，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量之前需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，矢網(wǎng)AV3672B的校正方式如表2所示，在本系統(tǒng)中需要選擇全二端口校準(zhǔn)方式，具體方法按照設(shè)備的提示步驟進(jìn)行。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)天線罩不同部位透波特性進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)了天線罩傳動(dòng)裝置，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖2所示。通過(guò)傳動(dòng)裝置天線罩可以實(shí)現(xiàn)前后平移、左右平移、上下升降和繞軸向的滾動(dòng)。其中，前后平移和左右平移通過(guò)地面固定導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，上下升降通過(guò)升降系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，繞軸向滾動(dòng)通過(guò)橡皮輪實(shí)現(xiàn)。通過(guò)天線罩傳動(dòng)裝置移動(dòng)、升降和旋轉(zhuǎn)天線罩可以對(duì)空氣條件下和天線罩不同部位s21參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

表2 算法運(yùn)行時(shí)間比較

圖2 天線罩傳動(dòng)裝置

在按照校準(zhǔn)操作提示對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)后，對(duì)天線罩某一固定部位透波率和相位移測(cè)量的具體方法如下所述：

1)根據(jù)需要測(cè)量天線罩部位的位置特點(diǎn)，通過(guò)操作天線天線罩傳動(dòng)裝置調(diào)整天線罩的高度和位置、固定好天線罩的擺放位置，再根據(jù)天線罩的位置和姿態(tài)固定好喇叭口的位置；

2)按照?qǐng)D1測(cè)量電路連接關(guān)系將兩個(gè)喇叭口天線和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩個(gè)端口連接正確，設(shè)置好矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試頻段范圍；

3)首先測(cè)量沒(méi)有天線罩時(shí)的s21分量，通過(guò)天線傳動(dòng)裝置在天線軸向上的前后移動(dòng)使天線罩不遮擋兩個(gè)喇叭口天線，即兩喇叭口天線只透過(guò)空氣直接相對(duì)；

4)由于s21分量幅度和相位不能顯示在同一坐標(biāo)系中，透波率和相位移分開(kāi)單獨(dú)測(cè)量，以測(cè)量透波率為例，測(cè)量對(duì)象選擇s21參數(shù)，顯示內(nèi)容選擇幅度，等畫(huà)面曲線顯示穩(wěn)定后將結(jié)果保存到內(nèi)存中；

5)通過(guò)天線罩傳動(dòng)裝置前后移動(dòng)和繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)將天線罩測(cè)試部位恰好處于兩喇叭口天線中心連線上，再次測(cè)量s21參數(shù)，測(cè)量對(duì)象選擇s21參數(shù)，顯示內(nèi)容選擇幅度，并將顯示結(jié)果設(shè)置為“實(shí)時(shí)數(shù)值/內(nèi)存”(注意：如果測(cè)量插入相位移，顯示結(jié)果應(yīng)該設(shè)置為“實(shí)時(shí)數(shù)值-內(nèi)存”)，顯示結(jié)果如圖3所示。

圖3 9～10 GHz范圍內(nèi)某型天線罩透波率測(cè)試值

此時(shí)，得到的結(jié)果就是設(shè)置頻率范圍內(nèi)選定天線罩部位引起的透波率(或相位移)偏差。由圖3可以看出，由于天線罩的存在透波率隨頻率振蕩變化，趨勢(shì)為隨頻率增加而降低。

3 透波性能測(cè)試

3.1 天線罩損傷部位測(cè)試

雷達(dá)天線罩罩體收到外力撞擊引起形變甚至破損時(shí)，受損部位及周邊臨近區(qū)域的電磁波透波特性可能受到影響。為了獲取損傷對(duì)天線罩透波特性的影響，分別選取了天線罩完好區(qū)域、輕度受損和嚴(yán)重受損區(qū)域，如圖4所示。

圖4 不同損壞區(qū)域選擇位置

對(duì)3個(gè)區(qū)域不同點(diǎn)位的透波率和插入相位移分別進(jìn)行了測(cè)量，3個(gè)不同損壞程度區(qū)域的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出損傷區(qū)域中心對(duì)透波率影響不大，微損和破損區(qū)域中心的透波率與良好區(qū)域的透波率相比沒(méi)有明顯變化，而損傷與良好區(qū)域的結(jié)合部分透波率有明顯下降，最大點(diǎn)下降了8 dB。另外，無(wú)論是在良好區(qū)域還是損傷區(qū)域，匯流條區(qū)域透波率明顯下降(圖5中“良好”曲線的8點(diǎn)和“破損”曲線的9點(diǎn))。由圖5(b)可以看出，破損引起的插入相位移隨破損程度下降明顯，并且匯流條會(huì)減小插入相位移。

圖5 不同受損程度區(qū)域天線罩透波特性

3.2 方向一致性測(cè)試

為了測(cè)試天線罩物理?yè)p傷對(duì)天線輻射方向圖的影響，需要對(duì)天線罩透波特性的方向一致性進(jìn)行測(cè)量[10]。方向一致性測(cè)試包括橫向和軸向兩個(gè)方向上損耗一致性測(cè)試，如圖6所示。

圖6 天線罩軸向和橫向測(cè)量位置

分別在橫向一圈360°范圍上等間隔選擇36個(gè)點(diǎn)(每間隔10°一個(gè)測(cè)試點(diǎn))，而軸向上等間隔選擇20個(gè)點(diǎn)做為測(cè)試點(diǎn)，對(duì)透波率和插入相位移進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)和圖7(b)可以看出，物理?yè)p傷對(duì)天線罩橫向一致性存在一定的影響，透波率和插入相位移都隨著橫向角度變化而變化，透波的變化范圍為-2.52～-1.03 dB，而插入相位移的變化范圍為6.68°～18.7°。

由圖7(c)和圖7(d)可以看出，在軸向上天線罩透波一致性也受到了破損的影響，透波率和插入相位移都隨測(cè)試點(diǎn)位置變化，其中透波率的變化范圍為-5.23～-0.88 dB，而插入相位移的變化范圍為96°～138°。

圖7 透波一致性測(cè)量

4 結(jié)束語(yǔ)

物理?yè)p傷會(huì)影響天線罩的透波特性，通過(guò)對(duì)天線罩不同位置透波率和插入相位移的測(cè)量可以得到物理?yè)p傷對(duì)天線罩透波特性的影響。為了降低天線罩透波率和插入相位移測(cè)量的難度，引入了通過(guò)測(cè)量S參數(shù)s21分量間接測(cè)量透波率和插入相位移的方法。測(cè)量結(jié)果表明，天線罩透波率隨電磁波頻率的增加振蕩下行，破損區(qū)域中心透波率和插入相位移變化較小，而破損區(qū)邊緣的透波率和插入相位移變化較為為明顯。而且物理?yè)p傷也影響了天線罩透波方向一致性，無(wú)論是橫向上還是軸向上天線罩透波率和插入相位移都有明顯的變化，插入相位移的隨方向變化尤為明顯。