一种弹载雷达干扰天线的结构设计

张其刚，王一笑，李 涛，徐 冉

(中国航天科工集团8511研究所, 江苏 南京 210007)

一种弹载雷达干扰天线的结构设计

张其刚，王一笑，李 涛，徐 冉

(中国航天科工集团8511研究所, 江苏 南京 210007)

弹载雷达干扰机的天线要求体积小、宽频带、高增益，且耐受功率大，对天线的结构设计提出了更高的要求。对一种弹载大功率雷达干扰天线的结构设计特点进行了分析，从天线组成原理、馈电结构形式、材料选择、电磁场仿真分析等方面进行了详细描述。采用小型化、一体化的综合设计以适应弹载平台需要，并通过大功率辐射试验验证设计的正确性。

弹载；干扰天线；结构设计

0 引言

随着导弹防御系统的不断发展，各类导弹正面临着越来越大的被拦截的威胁。弹载雷达干扰机也正朝着大功率、宽频带、高增益的方向发展，且体积要求苛刻。因此，弹载雷达干扰天线的结构设计需要综合考虑结构形式与布局、材料选择、电磁场、质量质心及力学强度等因素，进行小型化、一体化的综合设计。

1 天线组成及原理

某弹载干扰天线由腔体、辐射器、反射板、天线罩及支撑柱、螺母等组成，如图1所示。

其中，腔体主要的作用是使天线具有较强的定向性；辐射器主要是发射或接收电磁波的载体；反射板使天线具有较宽的波束；天线罩的主要作用是通过手工调节其高度，改善天线的匹配特性，即改善天线的电压驻波比。

信号由馈电端输入后，经由辐射器辐射、反射板展宽波束后在空间形成干扰信号。支撑柱、螺母及固定板要求为非金属材料，用于固定反射板并将其支撑于辐射器之上，同时与辐射器绝缘。腔体为金属，用于保证辐射口面，确保辐射方向图。天线罩为非金属，要求透电磁波，用于保护密封天线及调节驻波。

2 馈电结构设计

该天线应用于弹载平台，体积空间有限，且辐射功率大，馈电要求高。为减少大功率微波信号的传输损耗，同轴电缆需采用直径3.5mm的半刚电缆。对天线的馈电形式有两种方案可选，方案一采用SMA射频连接器馈电，考虑电缆弯曲半径，插头与插座旋合后，需要至少30mm的安装空间，在现有空间下无法实现。方案二在结构上通过对馈电端口优化设计，去除射频连接器，将同轴电缆与辐射器进行一体化设计，使安装空间缩短14mm，既满足安装空间要求，同时又改善了天线驻波性能，减少了连接损耗及相位误差。天线两种馈电方案比较如图2所示。

3 电磁场仿真分析

天线的电磁场仿真主要用于分析天线驻波、方向图等性能指标。本天线的电磁场仿真结果如图3所示，由于电磁场处于动态变化的过程, 该结果为天线电磁场瞬态的相对强度定性分布。

结果表明，天线电磁场最强的部分位于辐射器振子以及上方的反射板，场强最高与最低区域差10倍以上。此外，位于反射板附近的固定板以及支撑柱的中间部位等区域场强也较高。

当非金属作为介质材料用于高频电磁场时，介质在交变电场作用下会转换为热能量，在高电磁场强度下尤为明显。因此在强电磁场的工作条件下，该天线内的各类非金属材料会在电磁场作用下发热，热量聚集后从而引起温度升高,因此分析天线各区域的电磁场分布对非金属结构材料的选择有着重要意义。

4 材料选择

4．1 电磁场与非金属介质作用机理

电磁场在介质中的传输损耗包括两部分，一是介质非理想绝缘引起的漏电损耗，通常介质的绝缘电阻超过10000 MΩ/km，当线不太长的时候，这部分损耗可以不考虑；二是介质在高频场中分子极化滞后引起的损耗，该值由介质材料的损耗角正切tanδ决定。介质损耗的衰减常数α的计算公式为：

(1)

式中，α为衰减常数，单位为(Np/m)；εr为相对介电常数；λ为工作波长，单位为m；tanδ为损耗角正切。

由于存在损耗，所以电磁波在传播过程中是逐渐衰减的，这种衰减是由于能量损耗引起的，因此衰减常数又可以表示为：

a=PL/2P

(2)

式中，PL为介质损耗功率，单位为W；P为总传输功率，单位为W。

综合式(1)～(2)，可以得到式(3)：

(3)

又，PLt=cmΔT

(4)

式中，t为工作时间，单位为s；c为介质的比热容，单位为J/(kg·K)；m为介质的质量，单位为kg；ΔT为介质的温度变化量，单位为K。

式(3)和式(4)表明，电磁场与介质作用的发热功率与εr、tanδ成正比。材料的介电常数越大、介电损耗越大，其在相同频率的电磁场作用下的发热量越大。同时，材料在不同温度下，其介电损耗不同，随着温度升高，介电损耗会迅速增大。极端情况下，会进一步导致损耗急剧加大，从而导致温度急剧升高。

因此，在电磁场场强集中的区域，为避免非金属材料局部发热量大，温度过高，应当选择介电常数、损耗角正切相对较小的材料。

4．2 非金属材料选择

1) 几种典型非金属材料性能对比

天线内采用非金属材料的零部件主要包括支撑固定类的结构件和透波用的天线罩，几种典型非金属材料的性能对比见表1。

尼龙、聚砜、聚甲醛等材料是常用的工程塑料。由表1可以看出，三者的拉伸强度接近，作为结构支撑材料，均能满足使用要求。在电气性能上，聚砜的介电常数及损耗角正切较小，与性能最差的尼龙相差近40倍，可以说明，在电磁场作用下，聚砜与尼龙的发热量相差也是将近40倍。

聚四氟乙烯电气性能、耐受高低温性能优越，介电常数及损耗角正切是几种材料中最小的，但其抗拉强度低、机械强度差，常用于微波同轴电缆的传输介质，不适合做结构支撑材料。

表1 几种典型非金属材料性能对比

聚酰亚胺抗拉强度、耐受高低温性能均是最优，电气性能略差于聚砜，损耗角正切是聚砜的近十倍。

复合材料的主要成分是玻璃纤维或石英纤维配以不同的树脂胶。由表1可以看出，复合材料的力学性能远远高于高分子材料，适合模具粗成型再辅以机械精加工。但复合材料的电气性能指标普遍差于高分子材料，主要用于天线罩及一些承力结构件的加工。表中的三种复合材料中，氰酸酯石英纤维复合材料的力学性能最优，介电常数及损耗角正切均为最小。

2) 材料选择

支撑柱与螺母用于紧固、支撑固定板及反射板，要求具有一定强度及刚度，便于机械加工小尺寸螺纹，同时由图2可以看出，支撑柱中间部位场强较高，因此为避免大功率辐射情况下温度过高，要求所选用的材料介电损耗及介电常数较小。综合上述分析，作为结构支撑材料同时要求介电损耗小，聚砜的综合性能最优，适合作为支撑柱与螺母的材料。

固定板厚度薄且要求具有较好的强度以便于将反射板夹紧固定，因此应当选择相对强度较好的复合类材料。同时，由于固定板附近的电磁场强度相对也较高，因此选用氰酸酯石英纤维。

天线罩附近的电磁场强度相对较低，综合考虑透波及力学强度，环氧树脂E玻璃纤维与氰酸酯石英纤维均可以满足使用要求。氰酸酯石英纤维透波性能更好，但价格相对较高，实际选用时可以综合考虑性能及价格因素。天线罩与天线腔体之间采用螺纹方式连接，便于调整天线罩与辐射器之间的相对位置，从而调节天线驻波性能指标。

4．3 金属材料选择

天线的结构件常用金属材料包括铝合金及铜合金，具体材料选用需考虑质量、强度、表面处理等因素，铝合金使用更为广泛。本天线位于整机产品的前端，由于整机产品质心要求靠前，天线需要加重用以调配质心,因此本天线腔体及辐射器均采用密度较大的黄铜，腔体表面镀镍处理，辐射器由于焊接半刚同轴电缆的需要，表面采用镀金处理。

5 试验验证

由于受大功率电磁波作用的影响，本天线中非金属材料的选择尤为重要。为验证以上材料选择的正确性，通过选择不同的非金属材料确定两种天线方案。方案一选择电气性能较好的聚砜作为支撑柱和螺母的材料，选择氰酸酯石英纤维作为反射板材料。方案二选择电气性能较差的尼龙和3240环氧层压玻璃布板材料组合。两种天线方案的材料对比见表2。

表2 两种天线方案的材料对比

根据前文分析，由于介电常数及损耗角正切较大，理论分析得出尼龙的发热量约为聚砜的40倍，3240环氧层压玻璃布板的发热量约为氰酸酯石英纤维的6倍。因此，可以预见，采用方案二的支撑柱、螺母及固定板在大功率辐射下，其温度会远高于方案一。

对两种方案的天线进行60℃高温下的大功率电磁波辐射试验，在腔体内支撑柱与固定板相连的附近加以温度传感器，监测其温度变化情况。工作时间为240 s，试验结果如下：

方案一的天线工作240 s后，传感器温度缓慢上升至80℃，温升20℃，远低于聚砜材料的最高工作温度。检查天线各零部件无异常，天线指标测试正常。

方案二的天线在工作120 s时间内，温度较快上升至100℃，随后在100 s时间内迅速升高至220℃，在最后40 s时间内急剧上升至400℃。工作结束后，检查天线，发现支撑柱、螺母已经融化，固定板部分区域被高温烧糊。可以看出，温度上升至220℃时，支撑柱已经开始融化。

传感器的温升主要来自两个方面，一是与天线相连的功放发热并传到至天线腔体，引起腔体内的温升；二是非金属的支撑柱、螺母及固定板与强电磁场作用发热引起的温升。由于工作240 s后，功放壳体最高温度大约在75℃～80℃，因此功放的传热不足以使支撑柱熔化，导致支撑柱熔化的热量主要还是由材料自身与强电磁场作用产生。方案二的尼龙支撑柱在温度上升至100℃后，由于尼龙材料在高温情况下，电气性能发生恶化，损耗角正切明显加大，从而导致温升速度明显加快，仅再用了100 s就升高至220℃，最终导致支撑柱熔化。

以上试验及分析说明，方案一的天线采用聚砜及氰酸酯石英纤维材料，其损耗角正切较小，可以满足大功率辐射要求。方案二的天线采用尼龙及3240环氧层压玻璃布板，其损耗角正切较高，与电磁波作用发热量大而导致支撑柱熔化，不能满足大功率辐射要求。

6 结束语

本文针对弹载大功率雷达干扰天线的特点，综合考虑结构、材料、微波电磁场、热学以及性能、价格、加工工艺等多种因素，通过对材料的优选及馈电结构的一体化设计，优化了结构及电气性能指标，实现了大功率、小型化的要求，并通过仿真及试验验证了该设计的合理性。■

[1] 赵克玉,许福永.微波原理与技术[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 曾正明.机械工程材料手册[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3] 徐税敏，唐璞，薛正辉，等．微波技术基础[M]．北京：科学出版社，2009.

The structural design of a missile-borne radar jammer antenna

Zhang Qigang, Wang Yixiao, Li Tao, Xu Ran

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007,Jiangsu,China)

The antenna of missile-borne radar jammer is supposed to be small in size, wide in band, along with a high gain and a high power tolerance. These requirements significantly raise the standard of antenna structural design. The structural design features of a certain type of missile-borne high-power radar jammer antenna is analyzed, and detailed descriptions about the composition theories of the antenna, feed structure layouts, material selection and electromagnetic field simulation analysis are given. A comprehensive design for missile-borne platform is orchestrated considering miniaturization and integration. The validity of this design is effectively verified by high-power radiation experiments subsequently.

missile-borne; jamming antenna; structural design

2016-11-30；2017-02-25修回。

张其刚(1972-),男，高工，主要研究方向为弹载电子对抗设备总体结构设计。

TN957.2

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