一种C型夹层雷达天线罩损伤后修补区域电性能计算方法

蔡承文，赵永鹏，李伟林

(1.南京工业职业技术学院，江苏 南京 210000 ；2.大连长丰实业总公司，辽宁 大连 116000)



一种C型夹层雷达天线罩损伤后修补区域电性能计算方法

蔡承文1，赵永鹏2，李伟林2

(1.南京工业职业技术学院，江苏 南京 210000 ；2.大连长丰实业总公司，辽宁 大连 116000)

通过对某型飞机C夹层雷达天线罩分层损伤进行修复，对修复区域的电性能影响进行研究，通过理论计算修补区域电性能，论证修补工艺对雷达天线罩电性能的影响再误差范围内。试验测试修补区域电性能进行验证，以论证计算的正确性、工艺的可行性。通过试验表明，计算雷达天线罩修补区域的点厚度来保证雷达天线罩电性能的方法是可行的。

C夹层；雷达天线罩；修补；点厚度

雷达天线罩在军用飞机、民航飞机、导弹等飞行器上广泛使用，特别是C型蜂窝夹层雷达天线罩，由于其可以抵消单夹层结构的多余反射，在飞行器上使用更为广泛。随着飞行器飞行小时的增加，在使用中的外力冲击、湿热环境以及制造缺陷，都会造成雷达天线罩玻璃纤维层与蜂窝层之间产生分层损伤，影响雷达天线罩的强度及电性能。而在常规修理过程中，由于原始材料已使用新材料代替，或原国外材料采用国产化替代，往往导致修补材料的电性能符合性无法保证。采用修补后测量的方法，浪费人力物力，而且会对罩体造成二次损伤。刘莹给出了多层介质天线罩的数值分析方法[1]。通过对雷达天线罩的修补区域电厚度、插入相位误差的计算，来初步论证修补区域电性能的符合性。修补完成后，对雷达天线罩进行电性能检测，验证推算方法的正确性。

1 修补区域电性能推算方法

电厚度又称传输误差，是指电磁波在通过均匀介质时，介质的几何厚度、相对介电常数、入射角等对电磁波在介质中传播所产生的综合影响。根据对某型飞机雷达罩修补前后的电厚度进行计算，可理论上确定修补工艺对雷达罩电性能的影响，进而论证雷达罩修补工艺的可行性。

图1 C夹层结构网络级联图

(1)

其中，各元素通式为：

(2)

(3)

式(3)反映了在雷达罩介质介电常数、法向几何厚度、入射角、损耗角正切值等的影响下的电磁波传输特性，即为电厚度[2]。即：

(4)

式(4)，ψ为电厚度或波透过介质的程差因子，θ0为电磁波入射角，λ0为电磁波波长，h为雷达天线罩几何厚度，εr为介质相对介电常数。ψ也就是电磁波通过厚度为h的介质所产生的相位延迟。当介质为空气时，εr=1，则：

因此，由雷达天线罩壁产生的插入相位误差为：

(5)

式(5)即为雷达天线罩产生的插入相位误差(IPD)。

如果复合材料是均匀和各项同性的，复合材料的相对介电常数、损耗角正切值与组份的相对介电常数、损耗角正切值得关系如下[3]：

(6)

(7)

以上两式中，εm为混合材料的相对介电常数；εR为树脂的相对介电常数；εF为增强纤维的相对介电常数；VR为树脂的体积；VF为增强纤维的体积；tanδm为混合材料的损耗角正切值；tanδR为树脂的损耗角正切值；tanδF为增强纤维的损耗角正切值。

C夹层结构雷天线罩修理后自内蒙皮至蜂窝夹层结构依次为三层SW-220A/3218预浸料，其性能指标见表1。原某型飞机雷达天线罩自内蒙皮至蜂窝夹层结构为三层SW-220A/5222预浸料，其性能指标见表2。蜂窝夹层结构的介电常数及损耗角正切值分别为1.052、2.2×10-3。从图1可以看出，C型夹层结构雷达天线罩修补区域仅限于内蒙皮及第一层C夹层之间，因此，仅对修补区域修理前、后的混合介电常数及损耗角正切值进行计算。

表1 SW-220A/3218预浸料介电常数及损耗角正切值

表2 SW-220A/5222预浸料介电常数及损耗角正切值

根据式(6)(7)，将表1、表2数值带入，可计算出维修前雷达天线罩混合材料的介电常数及损耗角正切值(在计算时，各层的体积可用厚度替代，其中，预浸料厚度为0.3mm，蜂窝夹层厚度为6.6mm)分别εm前≈1.2468、tanδm前≈0.00283；修理后雷达天线罩混合材料的介电常数及损耗角正切值分别为εm后≈1.2475、tanδm后=0.00287。分别令εr=εm前、εr=εm后并代入(4)、(5)式，即可得到雷达天线罩修补前后的电厚度及插入相位延迟(中心频率选择为9.375GHz)，sinθ0∈(0,1)。

分别以0.05弧度为θ0的分度，画出ψ前、ψ后的函数图像，见图2、图3(由于两函数图像的相似度高，采用三维曲线)。从图2、图3中可以看出，雷达天线罩修补前后的电厚度和插入相位误差值均相差不大，几乎没有误差。因此，可以确定修理方法的可行性。

根据式(4)(5)可以看出，当材料固定，即介电常数εr不变；雷达波扫描角度固定，即θ0不变时，雷达罩的电厚度及插入相位误差，仅与雷达天线罩的物理厚度h有关。这为雷达天线罩修复后进行电性能矫正提供了方法，即可通过增加或减小修补区物理厚度的方法来保证电性能能符合要求，事实上，雷达天线罩的电厚度及插入相位误差对雷达罩物理厚度较为敏感，在工程中进行电性能修正，采用砂纸打磨的办法进行矫正，以表达雷达天线罩修补区域的电性能。

图2 修理前、后电厚度曲线

图3 修理前、后插入相位误差曲线

2 修复区域电性能检测

通过修补区域电性能推算方法，可初步判定雷达罩电性能符合要求。同时，根据该雷达天线罩特定损伤模式，制定简单的电性能的检测方法，即可验证雷达天线罩电性能的特性。

雷达罩电性能测试手段较多，文献[4]给出了介质损耗的测量方法，文献[5]给出了测试系统机械结构的设计。本次测量根据雷达天线罩损伤情况，雷达天线罩按轴线旋转一周，覆盖修理区域未修理区域。因此，测试采用对比法，旋转一周均匀选取72个测试点，发射天线、接收天线4m选取80个均匀测试点，记录各点旋台旋转高度、发射天线高度、接收天线高度、场强大小。对修补区域和未修补区域场强数值进行曲线拟合，对比场强曲线与，验证修理工艺及雷达天线罩电性能符合性。

试验在电波暗室下进行，频率范围在10KHz～18GHz范围内，内置自动控制转台，微波接收天线(可移动)，微波接收机，微波信号源选用安捷伦微波信号源，功率为30dB，频率范围0～18GHz，根据该型雷达罩工作环境，选取9.375GHz工作频率。选用不同发射功率，通过3次测试，测试结果通过曲线拟合，以验证电性能符合性，见图4～6。

图4 20dB发射功率电性能测试结果

图5 25dB发射功率电性能测试结果

图6 30dB发射功率电性能测试结果

图4～6中上虚线分别为该雷达天线罩未修补区域场强最大值和最小值，修补区域为72°～216°范围内。不难看出，通过SW-280A/3218预浸料替代雷达天线罩原高温固化环氧树脂体系，电性能与雷达天线罩电性能一致，均匀性较好。较均匀是因为本次选用预浸料胶膜为已经涂好的双面胶膜，其均匀性比人为刷胶均匀性更好。

3 结论

通过雷达天线罩修补区域的电厚度及插入相位误差的计算，整罩电性能试验，表面某型C夹层结构雷达天线罩分别层损伤后的修补工艺可行，同时，这种计算电性能方法可运用于雷达罩修复前材料的选择。

[1] 刘莹，谢拥军.多层介质天线罩的数值分析[J].电波科学学报，2011，(3).

[2] 李高生，明永晋. 天线罩等效传输线理论及应用[J].通信技术，2014，(1).

[3] 张强.天线罩理论与设计方法[M].北京：国防工业出版社，2014.

[4] 李振兴.天线罩介质损耗的精确测量[J].现代雷达，2002，(1).

[5] 彭思平， 赵立， 梅国平，等.导弹天线罩IPD单喇叭测量仪机械系统的研究与实现[J].航空精密制造技术，2010，(6).

[编校：杨 琴]

The Computing Method of Regional Electrical Properties for a Certain C-Sandwich Radome after Repairing damage

CAI Chengwen1,ZHAO Yongpeng2,LI Weilin2

1.NanjingInstituteofIndustryTechnology,NangjingJiangsu210000；2.DalianChangfengIndustrialCompany，DalianLiaoling116000)

Based on the result of repairing the delamination of C-sandwich radome of a certain type of aircraft, this paper studies the partial electrical properties after repairing damage. By calculating regional electrical properties, the authors have demonstrated that the repairing technology impacts electrical properties of radome within the error range. To prove the correctness of the algorithm and feasibility of the technology, the electrical properties of the radome were tested. The test shows that it is feasible to ensure the electrical properties of the radome by calculating the electrical thickness of the repaired radome.

C-sandwich; radome; repairing; electrical thickness

2015-07-01

蔡承文(1967- )，女，湖南吉首人，副教授,中级统计师,研究方向为应用数学、统计。

V243.2

A

1671-9654(2015)03-048-04