试验天线对雷达罩传输效率的影响及分析

王云香，许　群，刘尚吉，乔承晓

(高性能电磁窗航空科技重点实验室，　济南 250031)



试验天线对雷达罩传输效率的影响及分析

王云香，许群，刘尚吉，乔承晓

(高性能电磁窗航空科技重点实验室，济南 250031)

摘要：在雷达罩电性能测试过程中，需要用到试验天线，试验天线的类型、极化方式和口径尺寸对雷达罩电性能测试结果有一定影响。文中对试验天线口径尺寸对雷达罩传输效率的影响程度进行了仿真计算，通过对比测试验证了仿真计算的正确性。计算和测试结果表明：当试验天线与装机天线口径尺寸差别不大时，试验天线口径尺寸对传输效率的影响较小。在工程实践中，当无法得到装机天线时，可以用类型相同、极化方式相同、口径相近的天线作为试验天线，以完成传输效率的测试。

关键词：雷达罩；传输效率；测试；试验天线

0引言

雷达罩电性能试验是检测雷达罩电性能优劣的必要手段，通常采用比较法检测雷达罩的电性能，根据加罩前后被测天线辐射参数的变化计算得到雷达罩的电性能参数。安装在雷达罩内的天线通常称作试验天线，选取不同的试验天线，对雷达罩电性能试验结果有一定影响[1-2]。

关于试验天线的选取原则，通常是用真实天线或与真实天线电特性等效的天线作为试验天线，只有采用真实天线或等效天线时，试验结果最准确。当无法获得真实天线或等效天线时，采用其他形制相同、尺寸相近的天线作为替代品，则会引入一定的试验误差。本文对不同尺寸试验天线对雷达罩传输效率的影响，进行了仿真计算和试验验证。

1不同尺寸天线对雷达罩传输效率影响的仿真计算

1.1仿真方法

所有求解电磁散射的理论和方法都可能用于雷达罩的电性能仿真计算，这些方法主要有两类：一类是数值解法；另一类是高频近似法[3-6]。数值解法包括矩量法、有限元法和时域有限差分法；高频近似法包括几何光学法、物理光学法、几何绕射法、物理绕射法和等效电磁流法等。当雷达罩的曲率半径和天线口径均远大于雷达工作波长时，采用几何光学法对雷达罩电性能进行仿真计算，计算效率很高，而且能够得到理想的计算精度。几何光学法的主要原理是用一束垂直于天线口面的射线代表辐射到雷达罩上的电磁波，引入雷达罩对每条射线的幅度和相位的影响来计算加罩后天线的方向图。通过比较加罩前后天线方向图的变化，得到雷达罩的电性能参数。

用几何光学三维射线跟踪法计算加罩后天线远场方向图的算式为[7-8]

exp[j(φmn+Ψmn)]

(1)

其中

(2)

(3)

为了确定试验天线口径尺寸对雷达罩电性能的影响，采用几何光学三维射线跟踪法对雷达罩配套不同天线时的电性能进行了仿真计算。对比计算用的是同一雷达罩、不同的壁结构形式、不同口径的天线。

1.2天线特性

计算针对不同口径的试验天线，分别称为试验天线1、试验天线2和试验天线3。三部试验天线均为平板裂缝天线，垂直极化，工作于X波段。试验天线1的口径是Ф900 mm，试验天线2的口径是Ф580 mm，试验天线3的口径是Ф450 mm。

三部天线的尺寸不同，口径分布也不同，其方向图曲线如图1～图3所示，三部天线特性汇总见表1。由此可见，天线口径场分布不同，其方向图特性也有一定差别。

表1　天线特性汇总

图1　试验天线1的主平面和方向图曲线

图2　试验天线2的主平面和方向图曲线

图3　试验天线3的主平面和方向图曲线

1.3雷达罩壁结构

试验用雷达罩为旋转对称的卵形雷达罩，其典型外形如图4所示，天线与雷达罩的典型位置关系如图5所示。雷达罩的壁结构形式为实芯半波壁结构和夹层结构。实芯半波壁结构的壁厚沿雷达罩轴线方向做变厚度设计，夹层结构的芯层沿雷达罩轴线方向做变厚度设计。

图4　雷达罩典型外形示意图

图5　天线与雷达罩的典型位置关系

1.4仿真计算结果

分别针对实芯半波壁结构和夹层结构雷达罩匹配不同口径天线时的传输效率进行仿真计算。

1.4.1半波壁结构的传输效率

根据加罩前后天线方向图峰值功率的比值，对图4所示雷达罩半波壁结构状态的传输效率进行了仿真计算。仿真计算分三种情况，即罩内天线分别为试验天线1、试验天线2和试验天线3共三种情况，频率为f0，俯仰扫描角为参变量，方位扫描角为-60°～40°，每间隔1°为一个采样点，共有1 000多个点的传输效率数据。仿真计算数据的统计结果见表2，部分典型曲线见图6。表2中的每一行代表该俯仰角下所对应的一条传输效率曲线的统计结果，传输效率平均值是指各俯仰角下100余个传输效率数据的算术平均值，传输效率最小值则是指各俯仰角的传输效率数据中的最低值。由于篇幅所限，本文没有给出所有的计算数据，而是仅给出了部分统计数据，这并不影响对整个仿真计算结果规律的理解。

表2　半波壁结构雷达罩传输效率仿真计算结果统计数据

图6　半波壁结构雷达罩传输效率计算曲线

从计算结果可以看出以下规律：(1)天线口径尺寸对传输效率最小值和平均值的影响均较小。如果在单个俯仰角下进行比较，则三部试验天线所对应的传输效率平均值之间的最大差值为0.5%，传输效率最小值相差0.5%。(2)天线口径尺寸对小扫描角下的传输效率影响较大，对±15°以外扫描角下的传输效率影响较小。当天线的方位扫描角和俯仰扫描角均在±15°范围内时，雷达罩的头部区域是天线的主工作区域，此时，天线口径尺寸的变化对传输效率有较大影响，而当天线扫描角大于±15°时，天线口径尺寸的变化对传输效率的影响则较小。(3)试验天线1对应的传输效率曲线起伏相对比较平缓，而试验天线2和试验天线3对应的传输效率曲线起伏相对大一些。

根据式(1)可以定性理解以上差异，当每个试验天线照射到天线罩上时，都有一个照射区域，该区域内每个单元面积的复传输系数都对天线罩的传输效率有贡献。试验天线的口径越大，所对应的透波区也越大，影响天线罩传输效率的单元面积越多，则在该区域内复传输系数的变化范围也越大，总的矢量叠加的结果会体现权重最大的复传输系数的影响，而很难体现个别单元的特殊影响。通俗地说，试验天线的口径越大，天线罩的外形对传输效率的影响就越小；反之，则越大。因此，就出现了试验天线口径越大，传输效率的变化就越平缓，试验天线口径越小，传输效率的变化就越剧烈的现象。变化平缓的，其平均值与最小值的差距就小，变化剧烈的，其平均值与最小值的差距就大。

1.4.2夹层结构的传输效率

以同样的仿真计算方法，对图1所示雷达罩夹层结构状态的传输效率进行了仿真计算。罩内天线仍然按照三种口径进行计算，分别为试验天线1、试验天线2和试验天线3，频率为f0，俯仰扫描角为参变量，方位扫描角为-60°～40°，每间隔1°为一个采样点，共有1000多个传输效率数据。仿真计算数据的统计结果见表3，部分典型曲线如图7所示。表3中的每一行代表该俯仰角下所对应的一条传输效率曲线的统计结果，传输效率平均值是指该俯仰角下100余个传输效率数据的算术平均值，传输效率最小值则是指各俯仰角的传输效率数据中的最低值。由于篇幅所限，本文没有给出所有的计算数据，而是仅给出了部分统计数据，这并不影响对整个仿真计算结果规律的理解。

表3　夹层结构雷达罩传输效率仿真计算结果统计数据

图7　夹层结构雷达罩传输效率计算曲线

对于夹层结构雷达罩的计算结果有以下规律：(1)天线口径尺寸对传输效率最小值和平均值的影响均较小。如果在单个俯仰角下进行比较，则三部试验天线所对应的传输效率平均值之间的最大差值为0.5%，传输效率最小值相差0.5%。(2)天线口径尺寸对小扫描角下的传输效率影响较大，对±15°以外扫描角下的传输效率影响较小。当天线的方位扫描角和俯仰扫描角均在±15°范围内时，雷达罩的头部区域是天线的主工作区域，此时天线口径尺寸的变化对传输效率有较大影响，而当天线扫描角大于±15°时，天线口径尺寸的变化对传输效率的影响则较小。(3)试验天线1对应的传输效率曲线起伏相对比较平缓，而试验天线2和试验天线3对应的传输效率曲线起伏相对大一些。

2不同试验天线的对比测试

雷达罩电性能测试过程中，最理想的情况是用装机天线或与装机天线等效的天线作为试验天线，如果用其他天线作为试验天线可能会带来一定的测试误差。对于工程问题而言，合理的测试误差是可以接受的。为了解决在某些特殊情况下，既没有装机天线，也没有等效天线时雷达罩的电性能测试问题，可能不得不采用与装机天线不等效的天线。采用非等效天线的前提是由此带来的雷达罩电性能测试误差在可接受的范围内。上一节对采用不同试验天线所产生的对传输效率影响进行了仿真计算。从计算结果来看，试验天线口径尺寸对传输效率计算结果的影响较小。为了掌握实际测试过程中试验天线口径尺寸对传输效率的影响程度，规划了一个对比试验。对比试验所用雷达罩为实芯半波壁结构，试验天线为第一章仿真计算所用的试验天线1和试验天线2，即试验天线1是Ф900 mm的平板裂缝天线，试验天线2是Ф580 mm的平板裂缝天线。两个天线有相同的工作频段。

对比试验所用测试系统是紧缩场雷达罩电性能测试系统。紧缩场的静区尺寸为3.7 m×3.7 m，静区内幅度不平度≤1.0 dB，相位变化≤10°。测试系统的主要仪器有扫频信号源、微波接收机、混频器等。紧缩场雷达罩电性能测试系统的精度满足相关标准的要求。

对比试验的测试项目是雷达罩的传输效率，测试频率为点频f0。传输效率采用动态电轴跟踪法测试，测试过程中以俯仰扫描角为参变量，方位扫描角连续变化。俯仰扫描角间隔与仿真计算的间隔相同，方位扫描角范围及间隔与仿真计算的相同，因此，数据采样点与仿真计算的数据采样点完全相同。试验结果见表4。从所有的测试数据和曲线可以看出，在15°以内的传输效率，采用试验天线2的结果比采用试验天线1的结果差，最小值偏差1.0%。在大于15°范围内，两种天线的测试数据一致性比较好，偏差一般小于0.5%。图8则给出了部分测试曲线。

从测试结果可以得到以下结论：雷达罩传输效率对比试验的规律与仿真计算的规律相同；两个试验天线所对应的传输效率测试数据的差值与仿真计算结果的差值相近。对比试验证明了仿真计算的正确性，也证明了可以用非等效天线测试雷达罩的传输效率。

表4　传输效率测试结果对照表

图8　传输效率测试曲线

3结束语

雷达罩传输效率对比试验和仿真计算的结果表明：(1)对比试验的结果和仿真计算的结果规律一致、数值接近；(2)采用不同的试验天线进行雷达罩传输效率测试时，对平均传输效率和最小传输效率的影响均较小，在允许的测试误差范围内；(3)当没有装机天线或与装机天线等效的天线可用时，可以采用其它天线来代替装机天线进行雷达罩传输效率测试。替代天线的类型、极化方式、工作频率以及天线的安装位置应与装机天线一致，天线尺寸应与装机天线尽可能相近。

试验天线口径尺寸对雷达罩其它性能参数的影响可以采用同样的方法进行仿真计算和对比测试，本文不再赘述。

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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/发技术· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.015

收稿日期：2015-07-20

修订日期：2015-09-18

通信作者：许群Email：xuqunjn@126.com

中图分类号：TN821+.8

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0065-05